De uitbreiding van NEMO is ontworpen door het architecten bureau Renzo Piano Building Workshop, dat ook het gebouw in 1997 ontwierp. Allard Architecture te Amsterdam heeft opgetreden als lokale architect voor dit project. De uitbreiding bestaat uit een nieuw restaurant met een hellend glazen dak, dat de nieuwe entree vormt tot het restaurant. Het restaurant is geheel samengesteld uit een licht stalen constructie omgeven door glazen gevels en dak. De nieuwe dakvorm staat geheel in lijn met de helling van het bestaande dakvlak. Hiermee is een ruimte op de vijfde verdieping gecreëerd die de museumbezoekers gelegenheid biedt te zitten, eten en genieten van het uitzicht over de stad. Het nieuwe ontwerp heeft een flexibele indeling. Dit geeft de mogelijkheid tot het ontvangen van grote groepen scholieren, maar ook voor het organiseren van commerciële bijeenkomsten. Tijdens de zomermaanden zal de entree op het dak fungeren als een zogenaamde ‘piazza’ wat ook het originele concept is geweest voor het dak. Het hellende dak bevat zon georiënteerde lamellen die de binnenruimte beschermen voor overmatig zonlicht tijdens de dag en de warmte blijven vasthouden tijdens de nacht.