Nel 1979 il progetto, che trasformò la stazione in museo, fu realizzato dagli architetti dello studio ACT-Architecture, MM. Bardon, Colboc e Philippon che, rispettando l’originale architettura di Victor Laloux, l’ adattarono alla nuova destinazione d’uso. Difatti la grande navata funzionò da asse principale del percorso e la pensilina coprì il ruolo di entrata principale.

Il percorso museale si snodava su tre livelli principali:
- al piano terra, le sale erano distribuite da una parte all'altra del corridoio centrale;
- a livello intermedio, le terrazze dominavano il corridoio e introducevano alle sale espositive;
- il livello superiore era sistemato sopra l'atrio che ospitava il binario e che si prolungava nella parte più elevata dell'albergo sulla rue de Bellechasse.
Da questi tre principali livelli espositivi era possibile accedere ai vari spazi museali: al Pavillon Amont, ai passaggi a vetri del grande timpano occidentale della stazione, al ristorante del museo, al Café des Hauteurs, alla libreria e all 'auditorium.
L’allestimento degli spazi interni e la progettazione dei percorsi espositivi furono curati dal celebre architetto italiano Gae Aulenti, che preferì la pietra calcarea chiara, per sfruttare al massimo la luce proveniente dalla volta in vetro e metallo, così da rendere luminose le sale espositive e conferire all’insieme un carattere unitario.
Il 1° dicembre 1986, il Museo D'Orsay venne aperto al pubblico a 86 anni esatti dall'inaugurazione della stazione ferroviaria.