In vista del , dei quali l'Olimpico era lo stadio principale, furono previsti radicali interventi di ristrutturazione. A causa dei lavori, durante il campionato 1989-90 le squadre capitoline della Lazio e della Roma giocarono le loro gare interne allo stadio Flaminio. I lavori furono affidati a un'imponente squadra di progettisti, fra cui lo stesso progettista originario Annibale Vitellozzi, l'architetto Maurizio Clerici, l'ing. Paolo Teresi e l'ing. Antonio Michetti (strutture). Dal 1987 al 1990 il piano di intervento subì numerose modifiche, con conseguente lievitazione dei costi. In definitiva, l'impianto fu quasi interamente demolito e ricostruito in cemento armato, con l'eccezione della Tribuna Tevere, sopraelevata con l'aggiunta di ulteriori gradinate; le curve furono avvicinate al campo di nove metri. Tutti i settori dello stadio furono integralmente coperti con una tensostruttura bianca in fibra di vetro spalmata con PTFE prodotta da Montefluos, progettata dallo studio Zucker dopo che un ricorso al TAR del Lazio aveva fatto bocciare la copertura prevista in origine. Furono installati seggiolini senza schienale in plastica azzurra. Due maxischermi, costruiti nel 1987 per i mondiali di atletica, furono montati all'interno delle curve.Al termine dei lavori la nuova versione dell'Olimpico superò gli posti, divenendo così il 29º stadio al mondo per numero di posti (14º tra quelli usati per il calcio) e il 2º in Italia, di poco inferiore allo stadio Meazza di Milano. I lavori di ristrutturazione, pur con il risultato di un impianto indubbiamente imponente e affascinante, non tennero conto dell'impatto sull'ambiente circostante: l'innalzamento delle gradinate e la copertura stravolsero completamente i principi secondo i quali lo stadio era stato precedentemente pensato e costruito.