深圳市少年宫于2000年1月25日正式开工兴建，历经规划、设计，最终定位为“世界一流、国内领先”的文化教育综合体。经过20个月的建设，于2001年1月18日顺利封顶，随后进入了内外装饰和设备安装阶段，最终于2004年6月1日落成。
少年宫的建筑设计新颖独特，融合了多种建筑风格，堪称“建筑博物馆”。其中，“水晶石大厅钢结构”和“少年山转换大梁”等特种结构在当时均属国内首例。少年山转换大梁位于三层，高度3.8米，宽度2米，跨度32米，其SRC结构大梁是国内民用建筑中截面体量最大的梁，曾被国家建设部领导誉为“中国第一梁”。此外，少年宫的灯光工程也是亮点之一，由多种照明灯、景观灯和节日灯组成，可根据不同时间、节日的需求进行多种效果的变化，成为了市中心一道亮丽的风景线。在2003年最佳灯光夜景评选中，少年宫荣获最佳灯光奖。
整个建设过程中，共有80多家设计、顾问、监理、施工等单位参与，超过3000名工人参与建设。可以说，少年宫的建成凝聚了所有建设者的心血和汗水。
2003年3月，深圳市编委正式发文批准成立“深圳市少年宫”，并加挂“深圳市少儿科技馆”牌子，标志着少年宫正式成为我市重要的文化教育机构。
深圳市少年宫位于中心区中轴线东北区域，占地面积2.64万平方米，建筑面积约5.3万平方米，总投资约人民币5.38亿元。建筑设计方案采用国际招标确定，其主体造型构思独特，整个建筑是一个面向西侧中央绿化带的斜坡，并沿平面的对角方向切成两半，分别命名为“少年山”和“科学山”，中间镶嵌一个圆柱型的“水晶石大厅”，三大部分构成了少年宫建筑的整体，寓意着少年儿童在少年宫这里勇攀高峰、采掘知识宝藏，充分体现了深圳市在开发少年潜能所关注的两个方面，即科技意识与艺术修养。