В авторский коллектив вошли: архитекторы А. А. Мндоянц, Е. Н. Стамо, П. П. Штеллер, Н. М. Щепетильников; инженеры Г. Н. Львов, А. Н. Кондратьев, С. Я. Школьников, Т. А. Мелик-Аракелян и многие другие, в дальнейшем также удостоенные Ленинской премии за этот проект. На стадии проектирования здание было поделено на три главные составляющие, каждая из которых разрабатывалась отдельной группой людей. Зал создавал Е. Н. Стамо со своей бригадой. Фойе проектировала группа П. П. Штеллера, а фасады разрабатывались под руководством А. А. Мндоянца. Когда началась детальная разработка проекта, строительных зон стало значительно больше. Правительственную, «закрытую», часть создавал архитектор КГБ Г. В. Макаревич. Зимний сад проектировала К. Закарьян. Фасад, выходящий в Теремной дворец, создавал В. Локтев.
В первоначальном варианте зал был рассчитан на 4000 мест. В дальнейшем масштабы Кремлёвского Дворца было решено увеличить. Косвенными «виновниками» этого оказались китайские архитекторы. В 1959 году в Китае праздновалось образование КНР, в связи с чем, было принято решение построить десять крупных зданий в Пекине, среди которых также планировался Дворец Съездов, рассчитанный на 10 000 мест с огромным банкетным залом. Н. С. Хрущев, присутствовавший на торжествах, был поражен этим сооружением и рассказал о нем М. В. Посохину.
Начался новый этап работы. Было принято решение не только увеличить зал заседаний до 6000 мест, но и, главное, спроектировать банкетный зал максимальной вместимости. Для ознакомления с опытом строительства подобных зданий группа главных авторов выехала в ФРГ и США. Многие идеи элементов архитектуры были тогда привезены из-за рубежа, в частности интерьер зала заседаний ООН в Нью-Йорке, облицованный модной по тем временам деревянной рейкой, был практически импортирован в Кремль. Менее представительная делегация была направлена в Пекин перенимать опыт проектирования банкетного зала. Здание росло. Были добавлены еще один уровень со стороны Арсенала и несколько этажей под землей, чтобы разместить увеличившиеся зрительские гардеробы. Банкетный зал в итоге решили возвести в верхней части здания, прямо над зрительным залом.
Много споров вызывала и разработка архитектурного решения фасадов. Рассматривалось множество вариантов: от почти закрытого с аркадами до абсолютно прозрачного. Так поэтапно сформировался хорошо знакомый силуэт Кремлёвского Дворца. Простые, геометрически чистые и ясные архитектурные формы обусловили торжественный благородный колорит интерьеров Дворца. Величавость, сдержанность декора, столь типичная для древнерусского зодчества, позволила Дворцу великолепно вписаться в ансамбль зданий Московского Кремля — ансамбль, в котором каждое столетие оставило свои неповторимые белокаменные черты. К лету 1961 года огромное здание Кремлёвского Дворца было сооружено и отделано снаружи белым уральским мрамором, золотистым анодированным алюминием и стеклом, а внутри — красным карбахтинским гранитом, мрамором коелга и узорчатым бакинским туфом. В отделке стен и наборных паркетах были использованы ясень, дуб, бук, тихоокеанский орех и граб. Гербовый фриз из разноцветной смальты был выполнен по эскизам и под руководством знаменитого художника А. А. Дейнеки. Занавес, представляющий собой декоративные панно из тонких чеканных металлических листов, был изготовлен мастерами Латвийского Художественного фонда под руководством Х. М. Рысина по эскизу профессора А. А. Мыльникова.
На банкете, посвященном завершению строительства Дворца съездов, Посохин назвал первым зодчим этого глобального проекта… Никиту Сергеевича Хрущева, а Кремлёвский Дворец — «детищем оттепели». В памятный день открытия Дворца 17 октября 1961 года зрителям была представлена программа праздничного концерта, в которую вошли фрагмент балета «Лебединое озеро» и выступления мастеров искусств различных жанров.