Des figures mi-humaines mi-fantastiques ornent les piliers métalliques de la Galerie des fresques. Les neuf peintures murales, imaginées à l'époque par l'architecte Marius Toudoire à proximité des guichets de vente, représentent neuf villes du sud-est desservies par les trains : Lyon, Avignon, Nîmes, Montpellier, Marseille, Toulon, Nice, Monte-Carlo et Menton. Les artistes qui les ont réalisées sont inconnus et les styles divergent selon les peintures. Dans les années 1920, deux autres toiles représentant Venise sont pensées par le peintre marseillais Jean-Baptiste Olive. Dès 1981, onze nouvelles peintures sont ajoutées par l'atelier Genovesio-Lemercier et le peintre Jean-Paul Letellier, pour signifier les villes et des lieux entre Paray-Le-Monial et Paris (Paris, Fontainebleau, Auxerre, Vézelay, Semur-enAuxois, Dijon, Beaune, Autun, Tournus, Cluny, Paray-le Monial). Les fresques, qui s'étalent sur cent mètres de long, avaient été abîmées par des jets d'eau lors d'un incendie de toiture en 2014. Par endroits, la couche picturale est craquelée, empoussiérée ou altérée par l'eau. Au niveau du nom des villes, des encadrements sont fissurés. Deux équipes de spécialistes du patrimoine ont longuement étudié les peintures, sous le contrôle de la Direction Régionale des Affaires Culturelles, pour restaurer les visuels et couleurs d'antan. D'un côté, un premier groupe de neuf restauratrices a été piloté par la restauratrice de tableaux Marie Parant-Andaloro. De l'autre, les peintres des Ateliers Gohard ont eu pour mission la remise en peinture des cadres.

Marie Parant-Andaloro décrit ce chantier comme "un rêve de restauratrice" et le travail qu'elle a fourni comme un "accomplissement", elle qui est passée des dizaines de fois devant ces peintures. "80 ans de différence [entre les peintures, ndlr], ce n'est pas la même technique, pas la même façon de travailler. La peinture ne vieillit pas de la même façon", fait-elle remarquer. Le défi de l'équipe a été d'équilibrer ces deux périodes. L'autre difficulté a été de mener des taches minutieuses sans lumière naturelle. "Tout au long de la restauration, nous étions sur un échafaudage, nous voyions le chantier de très près. Mais nous savions que cette œuvre allait être vue de très loin, nous devions donc anticiper le regard du spectateur, depuis le sol. Sur l'échafaudage nous n'avions qu'un mètre de recul, nous devions à chaque fois réfléchir sur la notion d'ensemble", ajoute-t-elle.

Pour la SNCF, ce chantier était devenu "indispensable" pour "améliorer la lisibilité fonctionnelle et spatiale de la gare dans son ensemble, moderniser la galerie et la mettre aux normes de sécurité [éclairage et sonorisation de l'espace, ndlr] ainsi que lui donner une envergure nouvelle avec une offre commerciale de qualité". Les architectes d'Arep ont choisi d'ouvrir la galerie sur la ville côté cour Chalon et ont, pour cela, rénover les huit grandes verrières, aux structures métalliques repeintes et aux verres pour partie remplacés, situées juste en face des peintures murales. En 2017, le chantier de la rénovation des 2.000 m2 de la façade extérieure, côté cour Chalon, débute. Les menuiseries sont refaites à l'identique et les pierres, dégradées, sont remplacées. L'agence veut mettre en lumière les blasons des villes en mosaïques et les parements, alors nettoyés. En outre, des sculptures illustrant un bestiaire refont surface sur la façade. Toujours sur cette même façade, la marquise historique, jusqu'alors dissimulée par la toile d'une billetterie provisoire, est dégagée, restaurée et renforcée.

La finalité du chantier a été de "révéler [...] l'existant et les qualités du bâtiment d'origine", notamment les matériaux, explique Fabienne Couvert, directrice à l'agence Arep. "En complément de la restauration (nettoyage des fresques, reprise des parements) et du travail technique et structurel que cette rénovation a nécessité, nous avons requestionné les usages à partir de l'observation des flux." Elle souligne que le projet se caractérise par la combinaison des matériaux, comme la pierre au sol et le bois, avec les volumétries, en préservant l'unité spatiale d'origine et en les conjuguant à la lumière naturelle qu'apportent les verrières.

Une quinzaine d'entreprises, dont certaines expertes en métallerie, en restauration de sculptures, de mosaïques ou de serrurerie, ont travaillé sur la restauration de ce patrimoine. Un échafaudage suspendu a été installé pour réaliser les travaux sur les peintures et sur les verrières, et ce afin de ne pas prendre appui sur les coques commerciales. Au total, 350.000 voyageurs et visiteurs fréquentent quotidiennement la gare de Lyon, selon la SNCF.