У 2008–2011 роках відбувалась реконструкція стадіону з метою підготовки до проведення Чемпіонату Європи з футболу 2012 року. Процес розпочався у серпні 2008 року і тривав 38 місяців. Реконструкція стадіону НСК «Олімпійський» передбачала створення сучасної арени, на базі старої споруди. 7 серпня 2008 року було підписано угоду з німецьким архітектурним бюро "GMP von Gerkan", "Marg und Partner". Вже 14 серпня 2008 року розпочався демонтаж нижнього ярусу стадіону. У 2008—2009 роках продовжується реконструкція, закладено фундамент "VIP"-зони та зон інших глядачів, збільшили кут нахилу ярусів на 15 градусів. Восени 2009 розпочалось будівництво зони обслуговування вболівальників, комерційних площ та зведення об'їзної дороги з естакадою. Проте темп проведення робіт був недостатньо швидким, але вже на початку весни він підвищився. Робітники працювали цілодобово і реконструкція стадіону перейшла у новий етап. Уже в січні 2011 року стадіон був готовий на 70 %, у квітні на 84 %, у вересні на 95 %. У жовтні 2011 року стадіон був готовий на 100 %. Загалом, реконструкція головної арени України обійшлась у 4 млрд. 600 млн гривень.