En 2007, alors qu’il présentait des problèmes d’accessibilité aux visiteurs et qu’il souffrait d’équipements et d’une muséographie obsolètes, le Conseil général de Loire-Atlantique a engagé une démarche de rénovation globale du musée Thomas Dobrée en un « musée d’archéologie et d’histoire de Loire-Atlantique ». A l’issue d’un concours de maîtrise d’œuvre lancé à l’échelle internationale début 2009, c’est le projet de Dominique Perrault, architecte de la Bibliothèque nationale de France, qui a reçu les faveurs du jury. « Le projet de Dominique Perrault a particulièrement retenu notre attention par son originalité, sa conception, intégrée à son environnement et permettant la valorisation du patrimoine existant », a commenté Patrick Mareschal, président du Conseil général. Les travaux, qui devraient commencer en 2012, permettront de construire un nouvel espace sous le jardin, de réutiliser partiellement le bâtiment situé rue Voltaire et de réhabiliter les bâtiments anciens. Le futur musée s’organisera ainsi autour de deux pôles : un pôle « exposition-médiation » destiné aux activités grand public et à l’administration et un pôle « conservation-recherche » qui accueillera le centre de documentation et de recherche et les activités de conservation. Le jury a été particulièrement attentif au traitement du jardin, qui doit être inscrit dans le prolongement naturel de la visite du musée. « Nous opérons une transformation du site du musée non seulement en rendant hommage à l’architecture historique, mais en créant un paysage qui sublimera le site tant du point de vue de sa lumière que de son architecture », explique l’équipe de Dominique Perrault dans le dossier de présentation du projet, intitulé « Parti pris architectural ». Coût de l’opération : environ 35 millions d’euros.

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