Une 4ème phase d’aménagement de la cité de la mer est prévue afin de finaliser les opérations patrimoniales de restauration du hall des trains Est et Ouest, et de rénover la scénographie du pavillon des expositions permanentes. Ce nouveau parcours permet de renforcer la cohérence entre les différents espaces d'expositions et de rentrer en résonance avec la Grande Galerie des Engins et des Hommes et l'Espace Titanic via la thématique des épaves sous-marines. Cette meilleure interconnexion contribuera ainsi à mieux valoriser le patrimoine historique et culturel des profondeurs océaniques.
Ce projet de refonte, tout en conservant l'axe fondateur de l'aventure humaine sous la mer, entend inscrire le site dans la modernité, autour des « promesses de l'océan (biodiversité, pharmacopée, énergies marines renouvelable) et des enjeux actuels et futurs de la conquête des abysses (environnementaux, sociétaux, économiques).
Le projet induit un traitement scénographique entièrement reconfiguré, qui, à l'image de l'espace Titanic, favorisera l'immersion, et proposera une approche innovante des thématiques. Cette nouvelle scénographie invitera le visiteur à « descendre dans les abysses en privilégiant l'émotion et l'émerveillement ». Elle fera appel à de nouveaux dispositifs de médiation culturelle, basés sur le numérique, le multimédia et l'interactivité. Les séquences qui structurent le nouveau parcours sont articulées autour de multiples pôles de découvertes, d'expériences individuelles ou collectives, d'attractions et d'immersions : le visiteur devient acteur de sa plongée vers les abysses.
L'une des ambitions fortes du projet vise à faire émerger une véritable culture d'éducation à la mer en sensibilisant les publics à la biodiversité et en diffusant les connaissances autour de l'écosystème océanique. Il s'agit aussi de créer un lieu de médiation culturelle, scientifique et technique s'appuyant fortement sur le numérique. La Cité de la Mer souhaite se positionner, à travers cette nouvelle étape, comme une vitrine de l'innovation au service des publics et ambitionne de constituer une plateforme régionale à dimension nationale, voire européenne, d'éducation à la mer.