Après la rénovation du parvis et des façades, le projet de modernisation de la gare Toulouse Matabiau entre dans une nouvelle phase opérationnelle dès le 3 janvier 2022. Baptisé NeÔmatabiau (nouveau Matabiau), ce chantier de 5 000 m² est mené par SNCF Gares & Connexions avec son agence d'architecture (filiale) Arep pour un coût de 42 M€ (dont 17,9 M€ financés par l’État, la Région et l’Union européenne), et s’inscrit dans le cadre du projet d’aménagement urbain « Grand Matabiau, Quais d’Oc ». Ces travaux ont pour objectif de revaloriser l’architecture des poutres métalliques situées dans les halls et les installations techniques, d’améliorer l’accessibilité des voyageurs notamment des personnes à mobilité réduite en toute autonomie avec l'élargissement du passage souterrain nord, de créer cinq nouveaux ascenseurs et cinq escaliers mécaniques desservant les quais, de proposer une meilleure offre de services et de doubler l’offre commerciale (actuellement de 1 300 m²) complétée par un espace panoramique de restauration de 250 m². Les lauréats seront choisis d’ici à fin 2022. La fin du chantier est prévue pour septembre 2023 et la Coupe du monde de rugby. Fréquentée par 50 000 voyageurs par jour en 2019, la gare Matabiau sera à terme en capacité d'accueillir trois fois plus de voyageurs dans la perspective des mises en service de la 3^e ligne de métro (2028) et de la future LGV Bordeaux-Toulouse.