Financé par le ministère de la Culture, le programme de rénovation a été confié à l'architecte Vincent Brossy, qui est déjà intervenu dans différents lieux de spectacles (Comédie-Française, MC93...).
Les travaux de l'édifice, ancien siège de l'ONU, qui trône sur la place Trocadéro à côté de la Tour Eiffel, porteront notamment sur la restructuration de la salle Firmin Gémier, construite en 1965, qui n'est plus adaptée aux spectacles contemporains. Le chantier se fera à ciel ouvert.
Un puits de 29 mètres sera percé dans les carrières de Chaillot pour placer un monte-décor qui redistribuera directement depuis l'avenue du Président Wilson les plateaux des salles de spectacle Jean Vilar et Firmin Gémier. De longs tunnels à décor seront percés dans le sous-sol, seule zone d'extension possible pour ce monument.
A l'issue des travaux, le public pourra accéder au théâtre par les jardins donnant sur la Seine, qui était l'accès historique. Cela facilitera son accessibilité aux personnes à mobilité réduite.
Cela permettra également de redécouvrir la galerie des peintres Nabis (fresques murales de Bonnard et Vuillard) qui ne sont pas visibles actuellement. Pendant les travaux, la salle Firmin Gémier sera fermée.
La salle Jean Vilar restera ouverte sauf pour les personnes à mobilité réduite. Le Grand Foyer et la salle Maurice Béjart seront ouverts sans limitation.