En 1979, la direction est reprise par la Ville de Paris, propriétaire du bâtiment. Après une profonde rénovation, il rouvre en 1980 sous le nom de théâtre musical de Paris avec à sa tête Jean-Albert Cartier. L'opérette n'est pas oubliée et on y produit La Vie parisienne, La Veuve joyeuse, La Chauve-Souris et La Fille de madame Angot. Des saisons d'opéra s'y succèdent avec notamment des cycles Verdi, russe, Wagner avec des artistes de renommée internationale.
L'acoustique est repensée en 1989, le rideau de scène est peint par Gérard Garouste, et la salle reprend le nom de théâtre du Châtelet.
Stéphane Lissner, son directeur de 1988 à 1999, fait de nouveau améliorer l'acoustique et la visibilité. Il renoue avec la tradition de création et d'innovation du début du vingtième siècle. Il fidélise des artistes, Patrice Chéreau, Pierre Boulez, Daniel Barenboïm, William Forsythe, Robert Wilson et des orchestres en résidence l'orchestre de Paris et l'orchestre philharmonique de Radio France (les deux formations s'installeront en septembre 2006 à la salle Pleyel). Le Philharmonia Orchestra, de Londres, y prend résidence chaque année depuis 1992.