钱学森图书馆整体建筑规划设计由中国工程院院士、世博会中国馆设计者何镜堂教授挂帅。图书馆整体为方鼎式的赭红色建筑，外墙上刻有钱学森头像浮雕。设计人员采用先进技术，完全依靠砖面材料不同的纹理密度来表现这一浮雕，成功地用“意象”方式切合了纪念主题。
图书馆建筑外形采用了“大地情怀、石破天惊”的设计理念。一方面，以“方正的石头”寓意钱老心系祖国大地的赤子情怀；另一方面，以“裂开的石头”之中迸发出东二甲导弹的建筑空间场景，寓意钱老“两弹一星”的“石破天惊”伟大事业。设计方案以代表方正平直的方形建筑体量、下小上大简洁有力的形象出现，是钱老在其中贡献一生的戈壁中风蚀岩意象的抽象表达。
