Pendant l'entre-deux-guerres, l'architecte en chef des Monuments historiques Petitgrand tenta de faire aboutir le projet d'une vaste restauration de l'aile orientale en prévoyant notamment la reconstruction de la chapelle Saint-Gabriel. Entre 1941 et 1950, sous la conduite de Sylvain Stym-Popper, architecte en chef des Monuments historiques et de Paul Mesplé, conservateur du musée, fut adopté le projet d'une restauration complète de l'église gothique : restitution de la rose de la façade occidentale de l'église, de la voûte du choeur, restauration des chapelles latérales, reconstitution des fenêtres hautes et de la quasi-totalité des chapiteaux-frises des retombées de la voûte. Ce projet ambitieux fut repris en 1969 par l'architecte Yves Boiret et par le conservateur du musée, M. Denis Milhau : restitution des niveaux primitifs, des bâtiments et espaces, des volumes originels des différentes salles, aménagement d'un jardin "en cour anglaise" sur la rue des Arts faisant apparaître les fondations des chapelles orientales détruites entre 1805-1828. On supprima les adjonctions ou modifications du XIXe siècle, et procéda au rétablissement de la galerie ouest du grand cloître, la porte médiévale de la chapelle Saint-Laurent donnant accès au bâtiment Viollet-le-Duc, dont le gros oeuvre a été conservé. Les travaux de réaménagement réalisés entre 1975 et 1981 ont permis d'augmenter la surface des salles d'exposition (création de mezzanines), de terminer la restauration du couvent devant accueillir la nouvelle présentation des oeuvres gothiques. Seul, le bâtiment de l'actuelle entrée du musée fut ajouté et orné du portail des Pénitents noirs, déposé lors de la démolition de cette chapelle dans les années 60. En 1981, l'escalier Viollet-le-Duc se voit également doté de vitraux réalisés par le peintre verrier Henri Guérin que l'on peut encore admirer aujourd'hui. Au sud à mi-étage, l'escalier est éclairé deux baies jumelles surmontées d'une grande rosace et au niveau supérieur par une grande rosace isolée. Au nord, une vaste baie en plein cintre est agrémenté aussi de ces vitraux. Ces travaux ont permis de doter l'ancien couvent de remarquables orgues de facture allemande classique conçues par Jürgen Ahrend. Des raisons de sécurité ont conduit à la suppression de la mezzanine construite à la fin des années 1970, restituant ainsi l'impressionnant volume d'origine, en tout point comparable au Salon rouge contigu. Les peintures et sculptures européennes du XVIe au XVIIIe siècle y sont exposées, à l'exception de l'art religieux toujours montré dans l'église. C'est donc essentiellement l'art profane de cette période qui y est présenté : peintures italiennes, cycle exécuté pour le Capitole, célèbre série de portraits, série néo-classique, avec en particulier une belle représentation du foyer toulousain sous l'Ancien Régime. Quelques toiles ont été sorties des réserves à cette occasion. Le modèle des Salons artistiques qui se tenaient au Salon carré du Louvre au XVIIIe siècle a inspiré le nouvel accrochage. Enfin une petite salle permet de présenter les tableaux nordiques ainsi que les natures mortes de Louise Moillon.