Un concours international, auquel ont participé plus de 120 équipes françaises et étrangères, a été lancé début 2005 par la Région Nord-Pas de Calais, maître d'ouvrage et principal financeur du projet.
L'agence japonaise SANAA (Kazuyo Sejima et Ryue Nishizawa), associée aux architectes muséographes américains Imrey/Culbert (Celia Imrey et Tim Culbert) et à l'architecte paysagiste française Catherine Mosbach, a remporté le concours avec un projet résolument contemporain.
En 2000, Sejima et Nishizawa remportent le concours du « Musée d'art contemporain du 21e siècle » de Kanazawa. En 2006, ils achèvent le « Glass Pavilion », une extension du musée de la ville de Toledo, aux Etats-Unis.
Outre le musée du Louvre-Lens, ils travaillent aujourd'hui sur de nombreux projets au Japon, en Suisse, en Allemagne et aux Etats-Unis.
C'est ainsi que les cinq bâtiments principaux prennent position sur le site comme des barques sur un fleuve qui seraient venues délicatement s'accrocher entre elles.
Le parc paysager est partie intégrante du projet architectural. Il met en scène le bâtiment, qui lui-même valorise le paysage par l'effet de reflets et de miroirs de ses façades. Il combine plusieurs lieux de découverte : parvis devant le musée, clairières, promenades en son sein et en lisières, parc boisé renforçant la végétation naturelle dans la partie ouest du site, jardins en contrepoint des parties boisées.
Le parc assure en outre la liaison entre le musée et la ville, s'offre comme espace de promenade et de découverte pour la population locale.