La ampliación de la estación de Puerta de Atocha de Rafael Moneo comenzó su construcción dentro del Plan Estratégico de Infraestructuras y Transporte. Terminará en 2025, costará 520 millones de euros y tendrá capacidad para acoger 36 millones de viajeros al año.De momento, con motivo de la puesta en marcha del AVE a Valencia, se ha inaugurado una nueva terminal de llegadas.
El Plan es convertir la estación en el
nudo de conexión de la alta velocidad desde Madrid con Navarra, País Vasco, La Rioja, Comunidad Valenciana, Castilla- La Mancha, Andalucía y Extremadura. La primera fase de las obras fue terminada en diciembre:
la nueva terminal que redistribuye el flujo de viajeros con entradas diferencias para salidas y llegadas.

También está prevista la construcción de
una nueva pasarela y vestíbulo, con un pasillo rodante de conexión. Habrá un cambio de ancho de vías para adaptarlas a la alta velocidad. El cambio en el entramado urbano se hará visible en una nueva plaza, una fachada próxima a la avenida Ciudad de Barcelona, una conexión peatonal sobre las vías entre esa calle y la de Méndez Álvaro, y una zona verde en el ámbito de la calle Téllez.

La línea 11 podría ampliarse hasta la nueva estación y se propondrá una reforma del acceso peatonal desde la plaza de Atocha. De momento se ha ampliado el aparcamiento y se ha habilitado otro provisional en el entorno de la avenida de Ciudad de Barcelona. Otras actuaciones que se están llevando a cabo son la construcción de un aparcamiento provisional en el entorno de
la avenida Ciudad de Barcelona con capacidad para 470 vehículos, la adecuación de un vestíbulo provisional para larga distancia y un andén central de Cercanías, y la reforma de los accesos para coches y peatones.
El Ministerio de Fomento está trabajando para que en 2020 el 90 por ciento de los viajeros llegue a
Atocha a pie (4 por ciento) o en transporte público (58 por ciento en Metro, Cercanías y autobús), además de un 24 por ciento en taxi. También ha licitado una inversión de 187,5 millones de euros para la duplicación de vía entre Atocha y Getafe para incrementar la capacidad de la alta velocidad entre Madrid y Levante.
Desde la estación continúa la construcción del tercer túnel de la risa que pasa por debajo de la calle de Serrano. La Administración General del Estado llevará el AVE a Barajas cuando termine la conexión Atocha-Chamartín y el trazado del Cercanías a la Terminal 4. Es decir, a partir del año 2011.