Oma talo kaupungin laidalle
Jo 1. toukokuuta 1862 annettiin määräys kustannusarvion laatimisesta kokonaan uudesta koulurakennuksesta. Uudisrakennukselle esitettiin useita sijoituspaikkoja. Esillä oli ensin Yrjön-, Annan- ja Simonkadun välinen alue, sitten Aleksanterinkatu 27, johon rakennettiin myöhemmin Helsingin yliopiston ylioppilaskunnan ylioppilastalo. Esillä oli myös tontti Katajanokalta ja nykyisen Suomen Pankin rakennuksen paikka. Lopulta Helsingin maistraatti luovutti tarkoitusta varten tontin Hietalahdentorin varrelta korttelista Kurki.
Uudisrakennuksen piirustukset laati Frans Anatolius Sjöström, joka vuosina 1869–1871 kouluttautui arkkitehtuurin opettajaksi reaalikouluun.
Opistorakennuksen suunnittelutyö liitettiin Sjöströmin pätevöitymiseen arkkitehtuurin opettajan virkaan. Manufaktuurijohtokunta antoi Sjöströmille tehtäväksi selvittää tämänkaltaisiin koulurakennuksiin ulkomailla liittyvät seikat ja laatia yleissuunnitelma työn suorittamiseksi. Sjöström ilmoitti olevansa halukas valmistautumaan virkaan, jos saisi opiskella ulkomailla kahden vuoden ajan valtion rahoituksella.
Manufaktuurijohtokunta hyväksyi hakemuksen heti, ja senaatti kytki ulkomaanmatkan Sjöströmin virkapalkkaan. Arkkitehtuurin alkeisopetuksen hoiti toistaiseksi insinööri Endre Lekve osittaisella palkkiolla. Sjöströmin apurahaa jatkettiin vielä neljällä kuukaudella kesäkuussa 1871.
Yleisten rakennusten ylihallitus esitti joulukuussa 1872 eritellyn kustannusarvion Polytekniselle koululle suunnitellun päärakennuksen rakentamiseksi. Kun muutto omaan rakennukseen viivästyi, F. L. Litonius suostui jatkamaan talonsa vuokrasopimusta.
Uusi päärakennus valmistui vuonna 1877. Sen pinta-ala oli alun perin 4 300 m2. Rakennus sisälsi koulun lisäksi kouluhallituksen, teollisuushallituksen ja geologisen toimiston tiloja.
Hietalahden kampuksen synty
Tilat kävivät kuitenkin pian ahtaiksi ja rakennusta jouduttiin laajentamaan moneen kertaan. Bulevardiin ja Antinkatuun (nykyisin Kalevankatu) rajoittuvat 3 600 m2:n siipirakennukset valmistuivat Carl Gustaf Nyströmin suunnittelemana vuonna 1904. Geologiselle toimistolle rakennettiin Bulevardin varrelle oma toimitila, erilleen päärakennuksesta.
1920-luvulle asti kemiallinen laboratorio oli ainoa kunnollisia tiloja hallussaan pitävä Polyteknillisen Opiston ja Teknillisen korkeakoulun luonnontieteellinen laboratorio. Vanha kemiallinen laboratorio valmistui vuonna 1877 ja niin kutsuttu uusi laboratorio 1898. Päärakennus sai nykyisen muotonsa ja oppilaitos teknilliset laboratoriot vasta vuosina 1926–1928, jolloin Armas Lindgrenin suunnittelema keskiosan korottaminen kahdella kerroksella toi vielä 2 100 m2:a lisää lattiapinta-alaa.
Oppilaitoksen koneteknilliset laboratoriot rakennettiin vasta 1. maailmansodan jälkeen.