En 1994 se inició el proceso de reforma y ampliación del museo, que en marzo de 1995 contó con el acuerdo parlamentario. El primer resultado consistió en dotar al Museo del Prado de un Plan Museográfico al que en abril de 1997 dieron el visto bueno tanto el Real Patronato como la Comisión permanente.

El Plan incluía en la ordenación del entorno museístico cinco edificios: el de Juan de Villanueva, sede central de la pinacoteca; a sus espaldas, el edificio Aldeasa de la madrileña calle Ruiz de Alarcón destinado a oficinas y gerencia; el Casón del Buen Retiro; el Claustro Circunstancial de los Jerónimos del siglo XVI y el Salón de Reinos, actual Museo del Ejército que se trasladará a Toledo.

En julio de 1998 el Consejo de Ministros aprobó el convenio alcanzado entre el Ministerio de Educación y Cultura y la Archidiócesis de Madrid por el que la Iglesia cedía gratuitamente y libre de cargas el Claustro de los Jerónimos, (monumento nacional desde 1925), para proceder a la ampliación del Prado.

El arquitecto Rafael Moneo ganó, poco antes de finalizar 1998, el concurso para la ampliación con el anteproyecto "Buen Retiro", que recibió el apoyo del Patronato, aunque algunos miembros, como Fernando Chueca Goitia, mostraron su desacuerdo con algunos aspectos. Las críticas al proyecto de Moneo llevaron al arquitecto a modificar el proyecto inicial.

Posteriormente, los cambios fueron mayores tras la reunión entre Moneo y los miembros del Patronato, en la que se decidió modificar la altura y volumen del "cubo de Moneo" para hacer más visible la arquería del claustro e instalar una claraboya para la entrada de la luz.

El proyecto definitivo fue aprobado por el Real Patronato el 25 de enero de 2000 y por el jurado que convocó el concurso el 21 de marzo de ese año, con el visto bueno de la Academia de Bellas Artes de San Fernando pero no así de la Academia de la Historia.

Finalmente, y pese a las peticiones de paralización de las obras, el 13 de noviembre de 2001 el Ayuntamiento de Madrid resolvió aprobar la modificación del Plan General de Urbanismo con el apoyo de PP, PSOE e IU y como consecuencia del acuerdo del Consejo de Ministros del 2 de octubre de 1998 que consideraba "urgente" la ampliación del Prado.

La modificación del Plan para adaptarlo a la ampliación del museo supuso además la segregación de la parcela de los Jerónimos en dos partes, una de las cuales -la iglesia-, que seguiría siendo de la Iglesia, mientras que el claustro pasaba a pertenecer al Estado para integrarlo en el Museo. Además, a finales de 2002, la Sala Tercera del Tribunal Supremo dio luz verde a la ampliación al rechazar los recursos presentados.

Aunque con retrasos, las obras continuaron su desarrollo hasta que el 22 de julio de 2005 el Consejo de Ministros aprobó una inversión de 44,6 millones de euros que permitió continuar las obras paradas parcialmente.

A caballo entre la rehabilitación y la construcción de un edificio de nueva planta, la superficie del museo gana, con la ampliación, 22.513 metros cuadrados, al unirse la pinacoteca (edificio de Villanueva) al inmueble adjunto al claustro de la iglesia de los Jerónimos, mediante un parterre peatonal con jardines.

La sede central del Prado, el edificio de Villanueva, queda destinado a salas de exposiciones de las colecciones del Prado y el inmueble de nueva creación alberga dos estancias destinadas a exposiciones temporales, un auditorio, la biblioteca, taller de restauración, taquillas, tienda y espacios para los visitantes.

El 2 de febrero e 2007 las obras del Prado culminaron con la colocación de las puertas de la escultora Cristina Iglesias en el edificio de ampliación de Moneo, y finalmente, el 13 de marzo las obras eran recibidas por el Ministerio de Cultura.