El C3A tiene su sede en el edificio de los arquitectos Nieto y Sobejano, un edificio estrechamente vinculado a un lugar y a una lejana memoria, la cultura hispano musulmana. En su diseño se insertan la sencillez de ocultas leyes geométricas presentes en la arquitectura espacial múltiple de la Mezquita-Catedral de Córdoba, así como las permutaciones de los motivos ornamentales de celosías, pavimentos y atauriques. Su arquitectura brutalista se concibe a partir de un patrón geométrico hexagonal, como un juego combinatorio en planta y alzado, elementos de entrada de luz natural y ornamental de los espacios expositivos y de creación, sin jerarquías espaciales evidentes.

Uno de sus elementos más significativos es la fachada mediática, un espacio expositivo en diálogo abierto con la ciudad de Córdoba. Está diseñada como una gran pantalla de 100 metros perforada por 1.319 huecos hexagonales, tras los que se alojan lámparas monocromáticas tipo LED; para esta fachada mediática se han producido varias obras por parte de artistas a través de un programa informático de domótica, obras que son proyectadas cada día a la ciudad a partir de la caída del sol. Durante el día, la luz natural se filtra a través de las perforaciones, e inunda el atrio interior cubierto del C3A.

La permeabilidad y el potencial transformativo de las salas de exposiciones, realizadas con losas desnudas de hormigón y solados continuos, las convierten en elementos versátiles y las une conceptual y físicamente a los espacios de producción, los estudios de los artistas en residencia en la planta baja, y las salas de formación, en la planta alta. Estos se encuentran conectados por un gran corredor lateral que atraviesa el edificio longitudinalmente, concebido como un lugar de cruce, de encuentro y espacio común, a través del cual el visitante puede recorrer el edificio y acceder a los espacios expositivos y otros espacios como la Caja Negra y la Sala de vídeo.