La dégradation de la charpente résulte de plusieurs facteurs. En 1900, l'acier de la charpente était plus solide que le fer de la tour Eiffel. Mais moins souple, il sollicite davantage la résistance des rivets qui finissent par céder. De plus, les nombreux décors éphémères suspendus à la charpente durant les Salons (lien vers Un siècle d'événements) ont fragilisé la charpente en raison de leur poids trop important. Enfin, le manque d'entretien de peinture a fini par laisser la rouille envahir la base des piliers.
Après la consolidation des fondations à partir de 2001 (lien vers page Les fondations), l'ÉMOC s'attaque à la charpente métallique en 2003. Le poids total d'acier pèse 8 500 tonnes, plus que la tour Eiffel ! La plus grande fierté de ce chantier impressionnant : un étai de couleur jaune, sorte d'échafaudage de 64 vérins, se dresse au centre de l'édifice. Il permet de soulever le dôme de 15 à 17 millimètres pour le désolidariser du reste de la structure et permettre la restauration de certaines parties de la charpente métallique. Ce levage nécessite un grand savoir-faire, une poussée trop forte pouvant occasionner une casse de la structure. L'opération d'envergure réussit fort heureusement et se conclut après le changement de 15 000 rivets.
La partie la plus spectaculaire concerne la verrière. Celle-ci est changée dans sa totalité. Pièce par pièce, la verrière est démontée. Les plaques de verre n'étant plus aux normes, elles sont remplacées une par une. Au lieu du verre armé dépoli utilisé en 1900, le matériau utilisé est le verre feuilleté qui permet de rester fidèle à la légèreté initiale. La largeur des carreaux est réduite pour retrouver le rythme d'origine. Au total, grâce aux 16 000 m2 de vitrages remplacés, le Grand Palais retrouve la pureté de son graphisme, l'éclat et la transparence qui rendent le monument unique au monde.