Construite en 1860, agrandie en 1900 puis 1927, la gare, avec ses 90 millions de passagers annuels est à l'étroit depuis quelques années. De plus, avec l’arrivée des nouveaux projets (nouvelle ligne à grande vitesse Rhin-Rhône, nouveau TER) 2 axes de travaux ont été planifiés : deux nouvelles halles pour le public et cinq nouvelles voies.
De nouveaux accès seront percés pour améliorer les liaisons entre la halle Méditerranée, où arrivent les passagers des RER A et D, et la plate-forme jaune, avec des rampes pour la montée, et des escalators pour la descente. L'ensemble des travaux, chiffrés à 70 millions d'euros, doit être achevé dans dix-huit mois, c'est-à-dire avant les vacances d'été de 2012. Dominique Betrancourt, chef de projet de ce chantier, rappelle également la volonté «d'améliorer l'accès par la place Henri-Frenay, en créant une grande verrière sur l'arrière de la gare.»
Les travaux seront loin d'être terminés en 2012 pour autant. En 2013, des travaux «d'humanisation» de la dalle le long de la rue de Bercy seront entrepris. Surtout, Réseau ferré de France a engagé parallèlement un gigantesque chantier de 170 millions d'euros pour rénover les postes d'aiguillage. Ce chantier-là n'aboutira qu'en 2020.