W czasie II wojny światowej Dyrekcja Kolei Rzeszy Poznań ("Reichsbahndirektion Posen") rozpoczęła przebudowę obiektu w ramach hitlerowskiego programu „Otto” (zastąpionego przez operację Barbarossa), mającego na celu przygotowanie infrastruktury kolejowej do przewidywanej niemieckiej agresji na Związek Sowiecki. W początkowym etapie rozbudowy (1941–1942) postawiono piętrowy budynek dyspozytorni i ciąg obrządzania parowozów z zapleczem technicznym pozwalającym na jednoczesną obsługę kilku lokomotyw parowych. Na całość składały się m.in. basen węglowy wraz z żurawiami, nawęglownica kaskadowa, kanały oczystkowo-rewizyjne, suszarnia piasku i wieża piaskowania lokomotyw. Następnie w latach 1943–1944 przystąpiono do budowy ogromnej trójnawowej lokomotywowni prostokątnej, z umieszczoną w lekko wydłużonej w stosunku do pozostałych środkowej nawie przesuwnicą, służącą do przemieszczania parowozów pomiędzy stanowiskami obsługi. Hala mogła jednocześnie pomieścić 27 jednostek. Wyposażona została w zapadnię umożliwiającą wymianę zestawów kołowych lokomotyw. Wybudowano również nową zewnętrzną obrotnicę o średnicy 22 m (istniejącą do 2009 roku) oraz rozdzielnię prądu z trafostacją i magazyn olejowy z podziemnymi zbiornikami oleju napędowego. Szczególnie wyraźny nazistowski monumentalizm widoczny jest w ogromnej hali lokomotywowni prostokątnej z układem powielonych wysokich otworów okiennych i bram.