در مرداد 1335 انجمن آثار ملی در نامه ای به مهندس سیحون نوشت که وضع بنای موجود آرامگاه خیام متناسب با شخصیت علمی و هنری خیام نیست و انجمن در نظر دارد در این مورد اقداماتی به عمل آورد. از سیحون خواسته شد طرح و نقشه جدیدی متناسب با شخصیت خیام طراحی کند. سیحون و حسین جودت (ناظر ساخت و سازهای انجمن) پس از بازدید از مکان در نامه ای به انجمن چنین گزارش دادند:
"راجع به مقبره خیام به طوریکه ملاحظه فرموده اند محل آن فعلا چسبیده به بقعه امام زاده محروق می باشد و هرگونه عملی در این محل نمی تواند استقلال و برجستگی به مقبره خیام بدهد و لازم است که محل جدیدی در همان محوطه در نظر گرفته شود. با مطالعاتی که در این قسمت به عمل آمد محل آرامگاه تعیین گردید و کروکی لازم نیز متناسب با محل جدید تهیه گردید تا در صورتیکه مورد موافقت باشد نقشه های تکمیلی و صورت برآورد هزینه آن تقدیم گردد."
محل جدید آرامگاه انتخابی سیحون در "گوشه شمالی باغ" مورد تایید انجمن قرار گرفت و در پی آن، طرح پیشنهادی سیحون در 1337 به دانشکده هنرهای زیبای دانشگاه تهران فرستاده شد. مهندس محسن فروغی، رئیس دانشکده هنرهای زیبا در نامه ای به انجمن چنین گزارش داد:
"طرحی که توسط آقای مهندس هوشنگ سیحون استاد این دانشکده برای آرامگاه حکیم عمر خیام تهیه شده است و "ماکت های" مربوط به آن مورد دقت قرار گرفت و از طرف آقای سیحون درباره آن توضیحات کافی داده شد. با توجه به این نکته که در تهیه طرح مزبور از سبک معماری ایرانی حداکثر استفاده به عمل آمده این نقشه چه از لحاظ اصول فن معماری و چه از نظر سبک برای آرامگاه حکیم بزرگ ایران کاملا متناسب است."
بعد از گزارش فروغی به انجمن، سیحون در اسفند 1337 متعهد شد نقشه های قطعی و نقشه های اجزای کار را شامل مقبره اصلی - سکو بندی اطراف و آبنماها و بناهای تابعه آن و همچنین نظارت کار را هرچه زودتر برای ساخت مقبره به انجمن تحویل دهد.
سیحون مشخصات فنی بنا را چنین توضیح می دهد:
"استخوان بندی بنا، فلزی و دارای روکش آلومینیوم خواهد بود در قسمت سقف نوعی شیشه های ضخیم الوان و در متن قسمت بدنه با کاشی پشت و رو تزیین خواهد شد. زیر سازی بنا با بتون و کرسی و پله ها با سنگ گرانیت و بدنه دیوار مجاور آبنماها با سنگ تراورتن و سنگ روی قبر از سنگ سیاه مشهد خواهد بود."
شرکت ساختمانی کا.ژ.ت در 1337 به انجمن اطلاع داد حاضر است مسئولیت ساخت کار را با در نظر گرفتن نظریات سیحون به عهده گیرد و ساختمان آرامگاه خیام را بدون عیب و نقص به اجرا در آورد.
سیحون و حسین جودت نیز اعلام کردند:
"طرح اولیه ساختمان آرامگاه خیام با استخوان بندی فلزی تهیه گردید و در نظر بود که روکار آن با آلومینیوم پوشیده شود پس از مراجعه به اهل فن معلوم شد که روکش آلومینیوم بر فلز آثار نامطلوبی از لحاظ ترکیبات شیمیایی دارد. از این رو تصمیم گرفته شد که کار با بتن ظریف اجرا گردد و ارتفاع آرامگاه نیز از 12 متر به 22متر ترقی داده شود تا عظمت بیشتری پیدا کند. "
آنها متذکر شدند:
"ارجاع کار به یک شرکت پیمانکار خارجی جهت ساخت مقبره مستلزم تحمل هزینه زیاد است و از طرفی شرکت ساختمانی کا.ژ.ت تعهد نموده که در صورت نیاز متخصصین خارجی را جهت نظارت و اجرای درست کار استخدام نماید و از طرفی به اثبات رسیدن شایستگی شرکت کا.ژ.ت در ساخت مقبره نادرشاه بر همگان آشکار شده است و شایسته است که ساخت مقبره خیام نیز به شرکت مزبور داده شود."
آنها در ادامه کار افزودند که:
"اندک بی توجهی در این کار ممکن است نظیر آرامگا ه فردوسی (طرح کریم طاهر زاده بهزاد) موجب تاثر و پشیمانی گردد."
در 1338 ساخت آرامگاه شروع شد و دراین سال قسمتهای عمده کار از جمله گود برداری بتن ریزی پیهای بنا و طرح محوطه به اجرا در آمد. در سال 1341 پس از سه سال کار مداوم کار ساختمان آرامگاه به پایا ن رسید.
مقبره خیام از لحاظ معماری و ساخت یکی از مهم ترین ساختمانهای ساخته شده در زمان خود است. ارتفاع مقبره 22 متر است و استخوان بندی اصلی آن فلزی محاط در پوشش بتنی است. شکل بنا در پایین تقسیم بندی ده گانه دارد و فاصله پایه ها 5 متر است. اضلاع بنا مستقیماً به سمت بالا ادامه یافته و به صورت اشکال هندسی منظم تورفتگی پیدا می کنند و بعد به صورت تقریبا مخروطی شکل به هم رسیده شبه گنبدی را در بالا به وجود می آورند که قسمت عمده آن مشبک و تو خالی و یادآور ستاره ای است که نماد شخصیت علمی و ستاره شناسی خیام تلقی می شود.
سطح داخل و خارج مقبره با کاشیهای معرّق و اشعار خیام مزین شده است. روکار بنا معرّق کاری سنگی است و با قطعات نازک سنگهای محکم و شفاف ساخته شده است. در کنار آرامگاه، هفت خیمه سنگی بسیار زیبا وجود دارد که در زیر هرکدام یک حوض آب با کاشی فیروزه ای رنگ ساخته شده است.
سیحون در مورد ایده اصلی کار می نویسد:
"بنای یادبود دیگر مربوط به خیام است در نیشابور که تقریبا مقارن بنای قبلی با یکی دو سال فاصله دیر تر ساخته شده است. محل بنا در باغ بزرگی در خارج شهر نیشابور و با فاصله نزدیک به دو کیلو متر از جاده مشهد – نیشابور واقع است. تقریبا با همین فاصله به طرف غرب باغ دیگری آرامگاه شیخ عطار را در بر می گیرد. باغ اول به باغ امامزاده محروق معروف است به ترتیبی که در محور اصلی باغ ساختمان قدیمی امام زاده محروق جا دارد. مزار خیام درست در گوشه شمال شرقی این بنا قرار داشت. به طوریکه در زمان سلطنت رضاشاه در مراسم فردوسی با عجله این مقبره را به شکل یک میله سنگی بی اهمیت تعمیر و آماده کردند که در موقع بازدید مستشرقین قابل عرضه کردن باشد. در سی و چند سال پیش که انجمن آثار ملی تصمیم گرفت بنای مناسبی برای خیام ایجاد کند طرح آنرا به عهده اینجانب گذاشتند.
چون در جوار امامزاده امکان ایجاد ساختمان قابل توجهی نبود ناچار محور دیگری عرضی در باغ به وجود آوردم که عمود بر محور اصلی است و ورودی بنای خیام از همین محور در نظر گرفته شد. به خصوص که این محور در جهت باغ عطار نیز بود. یعنی از همین ورودی جاده دیگری کشیده شد که باغ امامزاده و خیام را به باغ عطار ارتباط می داد.
حال می پردازیم به شرح بنای یادبود خیام. در چهار مقاله نظامی عروضی آمده است: شنیده بودم که خیام گفته بود: "گور من در موضعی باشد که هر بهاری شمال بر من گل افشانی کند."
بنابراین بنای یادبود و آرامگاه باید طوری ساخته می شد که باز باشد و این خواسته خیام انجام شود. در منتهی الیه محور نامبرده که فاصله نسبتاً قابل توجهی با امام زاده محروق داشت در میان درختان کاج تنومند و زرد آلو، محل مناسب بنا در نظر گرفته شد. در اینجا اختلاف سطحی در حدود 3 متر وجود داشت که از همین وضعیت استفاده شد و مجموعه بنا شامل یک برج و چشمه سارهای اطراف آن به دور یک دایره بزرگ طراحی شد به طوریکه برج هم کف زمین و چشمه سارها در اختلاف سطح قرار گیرند.
خیام در واقع سه شخصیت دارد: ریاضیدان است؛ منجم و شاعر که باید هر سه شخصیت در بنا نشان داده می شد
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 پایه ها دو تیغه مورب به طرف بالا حرکت می کند به ترتیبی که با تقاطع این تیغه ها حجم کلی برج در فضا ساخته می شود و چون تیغه ها مورب اند خطوط افقی آنها باید ناظر به محور عمودی برج باشد. پس تیغه ها به صورت مارپیچ شکل به طرف بالا حرکت می کنند 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 تیغه ها با یکدیگر فضاهای پر و خالی و به خصوص در بالا ستاره های درهمی را به وجود می آورند که از لابلای آنها آسمان آبی نیشابور پیدا است و به تدریج به طرف نوک گنبد ستاره ها کوچکتر می شوند تا در آخر یک ستاره پنج پر آنها را کامل می کند. 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 تزئین، خود رباعیات خیام بود که به صورت خط شکسته و در هم به روش "سیاه مشق" های خطاطان بزرگی مانند میرعماد و بعضی استادان شکسته نویس با کاشی به صورت نقوش انتزاعی، سرتاسر لوزی ها را پر کند. به تقاضای "انجمن آثار ملی" شادروان استاد جلال همایی، بیست رباعی به این منظور انتخاب کردند و استاد مرتضی عبدالرسولی با نظر اینجانب که به صورتیکه می خواستم، این خطوط در هم و تزئینی باشند زیبا نویسی ها را انجام دادند که با کاشی معرّق آماده و به شکل کتیبه های تزئینی به ارتفاع حدود 14 متر داخل لوزی ها نصب شد که باید گفت در تاریخ معماری ایران اولین بار بود که خط شکسته در تزئینات بنا به کار رفت. از داخل نیز قسمت های پر از جمله همین لوزی ها با نقش گل و برگ و پیچک باز از هم با کاشی معرّق تزئین گردیدند و تماماً اشاره به شخصیت شاعری خیام است.
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 اجزاء مثلثی شکل و تورفتگی و برون آمدگی هایی که تا اندازه ای شکل خیمه را تداعی می کنند، و این اشاره به نام خیام است. چون پدرش خیمه دوز بود نام او به همین مناسبت انتخاب شد.
از طرف دیگر حوض ها با کاشی فیروزه که در مجموع، قسمتی از ستاره را نشان می دهند به تعداد هفت پر به مفهوم هفت فلک و هفت آسمان و هفت تپه باز اشاره به افلاک و نجوم، دانش دیگر خیام است. روی هم رفته 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 که مایل اند در محل اقامت کوتاه داشته باشند و از نزدیک در جوار آرامگاه و در فضای شاعرانه ضمن کار بهره معنوی داشته باشند ساخته شد که از شرح جزییات صرف نظر می شود."