Nel 1973, la Direzione dei musei di Francia progettava già di allestire all'interno della stazione d'Orsay un museo in cui tutte le arti della seconda metà del XIX secolo fossero rappresentate. A un passo dall'essere demolita e sostituita da un grande e moderno albergo, la stazione beneficiò del rinnovato interesse per il XIX secolo e fu inserita, in data 8 maggio 1973, nell'elenco straordinario dei Monumenti Storici. La decisione ufficiale relativa alla costruzione del museo d'Orsay fu presa dal consiglio interministeriale il 20 ottobre 1977, su iniziativa dell'allora Presedente della Repubblica francese Valéry Giscard d'Estaing. Nel 1978, l'edificio fu classificato come monumento storico e per il coordinamento dei lavori di costruzione e di messa in opera del museo d'Orsay, fu istituita un'apposita fondazione pubblica. Il primo dicembre 1986, François Mitterrand, all'epoca Presidente in carica, inaugurò il nuovo museo che aprì le proprie porte al pubblico il 9 dicembre dello stesso anno.

L'allestimento interno del museo fu realizzato da una squadra di scenografi e di architetti diretti e coordinati da Gae Aulenti. In collaborazione con Italo Rota, Piero Castiglioni (architetto delle luci che ha curato la disposizione delle stesse), e Richard Peduzzi (che si è occupato della presentazione dell'architettura), Gae Aulenti si è impegnata a creare una esposizione unificata nell'ambito di una vasta diversità di volumi, soprattutto per quanto concerne l'omogeneità dei materiali utilizzati: rivestimento di pietra dei pavimenti e delle pareti. Questo allestimento si adatta alla sproporzione volumetrica della ex stazione d'Orsay.



La segnaletica è stata ideata da B. Monguzzi e J. Widmer. Quanto all'illuminazione, si è fatto ricorso sia alla luce del giorno, sia a luci artificiali al fine di garantire le variazioni d'intensità richieste in funzione della diversità delle opere presentate.