El edificio puede situarse dentro del estilo Beaux-Arts tanto a nivel compositivo como de distribución, con detalles neobarrocos. El Ayuntamiento, al igual que el Teatro Arriaga, es obra del arquitecto cántabro Joaquín de Rucoba, quien fue arquitecto Jefe de Obras Municipales de Bilbao entre 1883 y 1886.

Antes de su construcción, el Ayuntamiento se encontraba adosado a la iglesia de San Antón en una casa tradicional del s.XVII. Debido al crecimiento demográfico y económico de la ciudad, se decidió trasladar el consistorio a su ubicación actual, el lugar donde previamente se encontraba el convento de San Agustín. Este nuevo edificio también forma parte de la ampliación del propio Bilbao, saliendo del botxo.

Con planta rectangular y fachada principal simétrica sobre la ría, el Ayuntamiento consta de cuatro plantas. La escalinata principal de acceso la presiden dos esculturas que representan la Ley y la Justicia. La sobriedad de las fachadas contrasta con el ciudado con el que se han ornamentado los interiores del edificio, como es el caso del Salón Árabe. Este salón es una muestra de la etapa que Rucoba pasó en Málaga.

En 1931 se construyó un nuevo edificio proyectado por Pedro Ispizua, que se comunicaba con el antiguo mediante una pasarela. En 1985 todo el edificio sufre una rehabilitación. Recientemente ha sido construido otro edificio (San Agustín) en la trasera del Ayuntamiento diseñado por IMB arquitectos.