En vísperas de la Exposición Universal de 1900, el Estado cedió el terreno a la Compañía de ferrocarriles de Orléans que, debido a la posición excéntrica de la Estación de Austerlitz, proyectaba construir en lugar del Palacio de Orsay una estación de término más céntrica. En 1897, la Compañía consultó a tres arquitectos: Lucien Magne, Emile Bénard y Victor Laloux. Los imperativos vinculados al lugar –elegancia del barrio, vecindad de los palacios del Louvre y de la Legión de Honor– imponían un reto a los opositores: integrar la estación en su elegante marco urbano. Victor Laloux, que acababa de terminar el Ayuntamiento, fue elegido como laureado en 1898.
Tras dos años de construcción, el 14 de julio de 1900 se inauguraron la estación y el hotel para la Exposición Universal. Al exterior, Laloux disimuló las estructuras metálicas de la estación con la fachada del hotel en sillar de Charente y de Poitou, de estilo académico. En el interior, se impuso el modernismo: planos inclinados y montacargas para los equipajes, ascensores para los viajeros, dieciséis vías en el subsuelo, los servicios de recepción en la planta baja y la tracción eléctrica. El gran hall de 32 m de altura, 40 m de anchura y 138 m de longitud iba precedido a lo largo del muelle de un vestíbulo y de un soportal abierto.
De 1900 a 1939, la Estación de Orsay desempeñó el papel de cabeza de la línea suroeste de Francia. El Hotel de Orsay recibía, además de los viajeros, a las asociaciones y partidos políticos que celebraban allí sus reuniones y banquetes. Pero a partir de 1939, la estación dejaría de comunicar con los alrededores, sus andenes resultaban demasiado cortos debido a la electrificación progresiva de las líneas férreas y de la prolongación de los trenes.
