La prise de conscience de la richesse patrimoniale des collections, de leur fragilité, mais aussi de leur potentiel exceptionnel comme support pédagogique, a permis à l’équipe de conservation, épaulée par un comité scientifique, d’imaginer un nouveau parcours muséographique. En 2006, le projet de rénovation et extension du bâtiment est lancé par la Ville, avec pour objectif d’accueillir tous les publics (handicapés, très jeunes enfants, etc.) dans les meilleures conditions d’accessibilité, de confort et de sécurité.
Deux premières tranches de travaux ont été achevées en 2011 permettant de transférer les collections (1000m² de construction neuve avec le Centre de Conservation des Collections à Bacalan inauguré en 2012)et de relocaliser le personnel et le pavillon administratif dans l’ancien pavillon des Serres. Un retard occasionné par deux appels d’offre infructueux a conduit à reprendre et simplifier le projet architectural, les points forts ont pu toutefois être conservés et enrichis. Ce qui a permis à Alain Juppé lors de la pose de la première pierre d’ajouter " On pourrait dire enfin !"

L’extension de 450m² en sous-sol accueillera les expositions temporaires. Elle se développera en avant du bâtiment, sous le jardin. Le hall sera scénographié avec des spécimens emblématiques comme l’éléphante « miss Fanny », on y trouvera également le musée des tout-petits pour les moins de 6 ans et une salle de conférence modulable. Au premier étage, on redécouvrira le salon ovale restauré, une salle modulable dédiée aux thématiques régionales et une salle qui traitera des grandes fonctions du vivant. Au deuxième étage, la galerie XIXème, aux vitrines murales restaurées, présentera le thème de « la nature vue par les hommes » du XVIIIème siècle à nos jours. Le parcours mettra en évidence la place de l’Homme, représenté par le visiteur, au sein de la nature qu’il découvre et interprète.

A la réouverture fin 2017, le nouveau muséum, rénové dans le respect de l’architecture du bâtiment et des exigences de conservation des collections, utilisera les apports de la scénographie et du multimédia, pour constituer un lieu d’émerveillement, espace d’information, de débats et d’échanges sur les enjeux de l’environnement.