مرداد سال 1335 انجمن آثار ملی در نامه‌ای به مهندس هوشنگ سیحون نوشت که وضع بنای موجود آرامگاه حکیم عمر خیام متناسب با شخصیت علمی و هنری خیام نیست و انجمن در نظر دارد در این مورد اقداماتی به عمل آورد.
از وی خواسته شده بود طرح و نقشه جدیدی متناسب با شخصیت خیام طراحی کند. محل جدید آرامگاه انتخابی سیحون در گوشه شمالی باغ مورد تایید انجمن قرار گرفت و در پی آن طرح پیشنهادی وی در 1337 به دانشکده هنرهای زیبای دانشگاه تهران فرستاده شد.
در سال 1338 ساخت آرامگاه آغاز شد و در این سال قسمت‌های عمده کار از جمله گودبرداری، بتن ریزی‌های بنا و طرح محوطه به اجرا درآمد. در سال 1341 کار ساختمان آرامگاه به پایا ن رسید.
ارتفاع مقبره 22 متر است و استخوان بندی اصلی آن فلزی محاط در پوشش بتنی است. شکل بنا در پایین تقسیم بندی 10 گانه دارد و فاصله پایه‌ها 5 متر است.
اضلاع بنا مستقیما به سمت بالا ادامه یافته و به صورت اشکال هندسی منظم تورفتگی پیدا می‌کنند و بعد به صورت تقریبا مخروطی شکل به هم رسیده شبه گنبدی را در بالا به وجود می‌آورند که قسمت عمده آن مشبک و تو خالی و یادآور ستاره‌ای است که نماد شخصیت علمی و ستاره شناسی خیام تلقی می‌شود.
سطح داخل و خارج مقبره با کاشی‌های معرق و اشعار خیام مزین شده است. روکار بنا معرق کاری سنگی است و با قطعات نازک سنگ‌های محکم و شفاف ساخته شده است. در کنار آرامگاه 7 خیمه سنگی بسیار زیبا وجود دارد که در زیر هرکدام یک حوض آب با کاشی فیروزه‌ای رنگ ساخته شده است.
خیام در واقع سه شخصیت دارد: ریاضی دان است- منجم و شاعر که باید هر سه شخصیت در بنا نشان داده می‌شد. دایره کف به ده قسمت تقسیم شد به طوری که برج یادبود بر 10 پایه مستقر باشد. عدد 10 اولین عدد دو رقمی ریاضی است و پایه اصلی بسیاری از اعداد است.
از هر یک از پایه‌ها دو تیغه مورب به طرف بالا حرکت می‌کند به ترتیبی که با تقاطع این تیغه‌ها حجم کلی برج در فضا ساخته می‌شود و چون تیغه‌ها مورب‌اند خطوط افقی آنها باید ناظر به محور عمودی برج باشد.
پس تیغه‌ها به صورت مارپیچ شکل به طرف بالا حرکت می‌کنند تا با هم تلاقی کنند و از طرف دیگر سر در بیاورند که خود یک شکل پیچیده ریاضی و هندسی است.
این شکل با عدد 10 هر دو سمبل دانش ریاضی خیام است. برخورد تیغه‌ها با یکدیگر فضاهای پر و خالی و به خصوص در بالا ستاره‌های درهمی را به وجود می‌آورند که از لابلای آنها آسمان آبی نیشابور پیدا است و به تدریج به طرف نوک گنبد ستاره‌ها کوچکتر می‌شوند تا درآخر یک ستاره پنج پر آنها را کامل می‌کند.
این ستاره ها و آسمان اشاره به شخصیت نجومی خیام دارد. و اما برخورد تیغه ها با هم ده لوزی بزرگ می سازند که باید با کاشی کاری پر شوند. بهترین تزیین خود رباعیات خیام بود که به صورت خط شکسته و در هم به روش«سیاه مشق»های خطاطان بزرگی مانند میر عماد و بعضی استادان شکسته نویس با کاشی به صورت نقوش انتزاعی سرتاسر لوزی‌ها را پر کند.
به تقاضای انجمن آثار ملی، شادروان استاد جلال همایی 20 رباعی به این منظور انتخاب کرد و استاد مرتضی عبدالرسولی زیبا نویسی‌ها را انجام داد.
دور تا دور برج در قسمت اختلاف سطح چشمه سارها در اطراف یک دایره وسیع به مرکز خود برج ساخته شد. همه از سنگ گرانیت با اجزا مثلثی شکل و تورفتگی و برون آمدگی‌هایی که تا اندازه‌ای شکل خیمه را تداعی می‌کنند. واین اشاره به نام خیام است.
چون پدر خیام خیمه دوز بود، نام او به همین مناسبت انتخاب شد. از طرف دیگرحوض‌ها با کاشی فیروزه که در مجموع قسمتی از ستاره را نشان می‌دهند به تعداد 7 پر به مفهوم 7 فلک و 7 آسمان و 7 تپه باز اشاره به افلاک و نجوم دانش دیگر خیام است.
مجموعه در یک حال و هوای شاعرانه با درختان تنومند در اطراف ساخته شد و همان طور که خواست خود خیام بوده کاملا باز است و مزارش بهاران گل افشان.
در قسمت دیگر باغ، بناهای دیگری جهت کتابخانه و مهمانسرای موقت با ملحقات برای مستشرقین و محققین ساخته شده است.
مقبره خیام از لحاظ معماری و ساخت یکی از مهم‌ترین بناهای ساخته شده در زمان خود است. این بنای جادویی مبتنی بر اصول ریاضی و مثلثاتی خیامی، محاسبه و طراحی شده است. سیر در دهلیزها و طاق و ایوان مقبره، خود سفری ست به جهان بی نهایت معانی خیام.
آرامگاه حکیم عمر خیام در سال 1354 توسط وزارت فرهنگ و هنر با شماره 1175 در فهرست آثار ملی ایران به ثبت رسید.