Το Μέγαρο Σταθάτου, το νεοκλασικό δημιούργημα του Ernst Ziller, χτισμένο το 1895 με σκοπό να αποτελέσει την οικία του Όθωνα και της Αθηνάς Σταθάτου, στεγάζει από το 1991 τη νέα πτέρυγα του Μουσείου. Από τότε φιλοξενεί στο ισόγειο τη Συλλογή Αρχαίας Ελληνικής Τέχνης της Ακαδημίας Αθηνών, η οποία έχει παραχωρηθεί προς το Ίδρυμα με τη μορφή δανείου.

Οι ισόγειοι χώροι του Μεγάρου, με το καλαίσθητο κυκλικό θερμοκήπιο, τυπικό χαρακτηριστικό αυτού του τύπου Αθηναϊκής οικίας, διατηρούνται στην αρχική τους μορφή. Ο πρώτος όροφος του κτιρίου έχει διαμορφωθεί σε εκθεσιακό χώρο, όπου φιλοξενούνται περιοδικές εκθέσεις του Μουσείου.

Η είσοδος του Μεγάρου βρίσκεται στη συμβολή των οδών Βασιλίσσης Σοφίας και Ηροδότου, αλλά πρόσβαση υπάρχει και από το κεντρικό κτίριο του Μουσείου, μέσω ενός ειδικά σχεδιασμένου διαδρόμου που ενώνει το αίθριο του κεντρικού κτιρίου με το ισόγειο του Μεγάρου.