Kenzo Tange a conçu le bâtiment principal comme une structure en béton surélevée sur des pilotis, permettant aux visiteurs de marcher en dessous avant de monter vers les étages d'exposition. Le musée se situe à la limite nord du Parc du Mémorial de la Paix, à 600 mètres de l'hypocentre, adjacent au dôme squelettique qui a survécu à l'explosion. Sa collection permanente contient 20 000 objets — vêtements brûlés, chapelets fondus, une montre arrêtée à 08h15 — offerts par des familles ayant perdu des proches le 6 août 1945.
L'excursion d'une journée à Hiroshima au départ d'Osaka en train prend 90 minutes avec le Shinkansen Tokaido-Sanyo, au départ toutes les heures de la gare de Shin-Osaka. La plupart des visiteurs combinent le musée avec l'île de Miyajima, accessible via un train JR de 50 minutes jusqu'à Miyajimaguchi et un ferry de dix minutes. Le torii flottant du sanctuaire d'Itsukushima, reconstruit en 1875 en bois de camphrier résistant à la pourriture, s'élève à 16 mètres de haut dans la mer intérieure de Seto. À marée haute, les piliers vermillon semblent dériver ; à marée basse, les visiteurs marchent sur les vasières pour photographier la structure depuis le bas.
Le bâtiment Est du musée, ajouté en 1994, retrace le rôle militaire d'Hiroshima et les étapes techniques du projet Manhattan. La rénovation de 2019 a réorganisé l'exposition principale pour mettre en avant les témoignages des survivants, avec des stations d'histoire orale et des paysages urbains reconstitués montrant la ville avant et après le bombardement. La durée moyenne de visite est de deux heures, bien que l'intégralité des archives et les inscriptions du cénotaphe extérieur puissent occuper une demi-journée. Le coût de l'excursion d'une journée à Hiroshima au départ d'Osaka commence à 200 JPY pour l'entrée au musée, hors tarifs du Shinkansen, qui varient de 10 570 JPY pour un siège ordinaire non réservé à 11 850 JPY pour un siège réservé.
De nombreuses excursions d'une journée à Hiroshima au départ d'Osaka proposées sur Klook et des plateformes similaires regroupent le train aller-retour, l'entrée au musée et l'accès au ferry de Miyajima, simplifiant la logistique pour les visiteurs novices. Le débat sur l'excursion d'une journée à Hiroshima au départ d'Osaka ou de Kyoto dépend de la proximité du train — Kyoto ajoute 15 minutes au trajet en Shinkansen. Les fils de discussion Reddit recommandent systématiquement de quitter Osaka avant 08h00 pour maximiser le temps passé sur l'île avant la foule des ferrys de 17h00. La signalisation en anglais du musée et les guides audio multilingues accueillent 400 000 visiteurs internationaux chaque année, maintenant sa désignation de site du patrimoine mondial de l'UNESCO partagée avec le Dôme de la bombe atomique depuis 1996.
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