Su edificación se divide en tres etapas que marcan la transición de la época porfiriana al México posrevolucionario: inicio de la construcción según el proyecto de Adamo Boari (1904-1916), suspensión de las obras y acondicionamiento como espacio de usos múltiples (1917-1929), y reanudación y conclusión bajo la dirección de Federico Mariscal (1930-1934).
En la primera etapa se realizó la cimentación y la instalación del esqueleto metálico con su posterior recubrimiento de mármol. Para la decoración de las fachadas, Boari siguió los parámetros del art nouveau y contrató a los italianos Leonardo Bistolfi, Domenico Boni y Gianetti Fiorenzo para realizar distintos grupos escultóricos. Por su parte, el húngaro Géza Maróti diseñó el remate de la cúpula central, así como la cortina de cristal, el mural en mosaico y el plafón que se encuentran en el teatro. El plazo para terminar las obras era de cuatro años; sin embargo, debido al hundimiento de la estructura y al estallido de la Revolución mexicana, los trabajos se postergaron durante varios años más.
Con la reanudación de la construcción del Teatro Nacional, el proyecto de Boari fue abandonado por considerarse caro e inadecuado para la nueva idea de un edificio multifuncional y de carácter público con enfoque social. En este cambio de vocación, el Secretario de Hacienda Alberto J. Pani impulsó la creación del Palacio de Bellas Artes como sede de una institución dedicada a fomentar y difundir las expresiones artísticas y culturales de México y el mundo.
La conclusión de los trabajos estuvo a cargo de Federico Mariscal, quien diseñó los interiores en estilo art déco. El nuevo programa arquitectónico propuso una redistribución de los espacios y se distinguió por su sobriedad, sencillez y elegancia.
