Au retour d'une série de voyages d'études en Grèce, en Turquie et de nouveau à Rome (où il fut pensionnaire de l'Académie de France en 1849), Charles Garnier va remporter un succès inattendu.

Napoléon III est visé lors d'un attentat, le 14 janvier 1858, rue Le Peletier où se situe la salle d'Opéra du moment. Des anarchistes italiens, dirigés par Felice Orsini, jettent plusieurs « machines infernales » dans le cortège et la foule qui l'entoure. Le couple impérial est miraculeusement épargné, mais se retrouve au milieu de huit morts et de près de cent quarante-deux blessés.

La construction d'une nouvelle salle dans une grande rue moins propice aux attentats est décidée par l'empereur, au lendemain même du drame, pour la construction de ce qui deviendra le nouveau lieu d'apparat de la haute société parisienne, puis déclare le projet comme étant d'utilité publique par arrêté impérial daté du 29 septembre 18605.

Pour certains historiens, Eugène-Emmanuel Viollet-le-Duc semble à l'origine de l'idée d'un concours, craignant l'attribution du projet et la direction du chantier à Charles Rohault de Fleury, architecte ordinaire de l'Opéra et donc logiquement destiné à réaliser cette nouvelle commande. Selon l'avis d'autres spécialistes, ce sont Napoléon III et surtout son épouse, l'impératrice Eugénie, qui souhaitent écarter Rohault de Fleury pour que Viollet-le-Duc, leur favori, en soit lui-même chargé6.

Toujours est-il que le concours pour l'édification d'une « Académie impériale de musique et de danse », largement ouvert et international, est donc organisé et annoncé dans un second arrêté du 29 décembre de la même année 1860. L'usage voulait jusque-là que l'on fasse directement appel à un architecte désigné. Haussmann propose, en cette occasion, un lieu dans Paris peu commode et plutôt mal adapté à ce type de projet.

Charles Garnier (1825-1898) est premier grand Prix de Rome en 1848. Secondé de confrères et amis de l'École des Beaux-Arts, pour partie d'entre eux également lauréats de la même distinction, il remet un projet dont les châssis portent le numéro 38 et une devise - les projets devant rester anonymes - qui résume assez bien le caractère de son auteur : « J'aspire à beaucoup, j'attends peu ».

Le choix de l'emplacement est proposé, pour la compétition, par le préfet Haussmann. Un terrain destiné à être entouré de hauts immeubles de rapport. Ses dimensions et sa forme très particulière résultent des récents tracés voulus par l'urbaniste. D'importantes contraintes s'imposent ainsi aux différents concurrents puis à l'architecte lauréat.

La difficulté de concevoir un édifice d'une aussi grande envergure sur une surface ingrate, losange étriqué et dissymétrique, amène Garnier à demander divers aménagements et cela à plusieurs reprises. Mais Haussmann reste intraitable. L'architecte gardera malgré tout l'espoir que les bâtiments alentour seront ultérieurement rasés puis remplacés par des jardins afin que les Parisiens puissent apprécier une œuvre se suffisant à elle-même.

Les immeubles voisins font l'objet d'une entorse aux règlements que le baron a lui-même fixés et dépassent la hauteur autorisée. Les façades de l'opéra risquent donc d'apparaître plus basses que leur environnement. En réaction, le maître d'œuvre doit modifier ses dessins au dernier moment et surélever l'étage attique pour que le projet et ses élévations conservent l'aspect prestigieux indispensable à un palais voué à l'Art.

En outre, des considérations sécuritaires sont intervenues. L'attentat de l'opéra Le Peletier incite à trouver un site rapide d'accès pour l'empereur, qui loge dans l'aile Richelieu du Louvre. Le percement de l'avenue de l'Opéra a pour vocation de parachever la sécurisation des sorties au spectacle de Napoléon III.

Si le début des travaux a lieu dès 1861, l'entreprise est marquée officiellement par la pose de la première pierre l'année suivante, en 1862.

Lors des fouilles et des excavations, destinées à la réalisation des massifs de fondations, les travaux doivent brusquement s'interrompre. Le niveau de la nappe phréatique est rapidement atteint et la situation oblige à la mise en place de pompes à vapeur fonctionnant jour et nuit.

Un cuvelage (ou radier) en béton de grandes dimensions est créé. Bientôt rempli d'eau, ce dernier permet aux infrastructures de résister à la pression des eaux d'infiltration et de mieux répartir les charges d'une partie des bâtiments dans un sous-sol de qualité médiocre. Il sert, encore aujourd'hui, de réservoir pour les pompiers en cas de sinistre.

Cette péripétie donnera naissance à la légende d'un lac souterrain alimenté par un cours d'eau portant le nom de « Grange-Batelière » : un imprévu savamment exploité et entretenu par le célèbre roman de Gaston Leroux : le Fantôme de l'Opéra. En réalité, la rivière coule un peu plus loin.

La construction dure près de quinze années, de 1861 à 1875. Elle est soigneusement cachée derrière des échafaudages recouverts de planches et de verrières qui masquent tout particulièrement la façade principale pour que l'effet de surprise soit total.

L'Opéra Garnier constitue le prototype et la synthèse du « style Second Empire » (ou « style Napoléon III »), qui devient le décor préféré de la bourgeoisie de la fin du xixe siècle jusqu'aux années 1920.

Les façades à peine dévoilées, Napoléon III demande à Haussmann d'aménager une avenue reliant le Palais des Tuileries, où il réside, au bâtiment de Garnier. Large et dotée d'un accès direct au pavillon de l'Empereur, cette artère n'a d'autre fonction que de permettre au souverain de circuler sans risque d'un nouvel attentat. Pour l'architecte de l'Opéra, réjoui de voir son œuvre mise en valeur d'une façon aussi spectaculaire, cette entreprise doit avoir l'effet « d'une trompette que l'on souffle dans la chambre d'un malade ».

Mais l'architecte s'oppose violemment à l'urbaniste sur un point à ses yeux essentiel : la plantation d'arbres. Rien ne doit venir perturber la perspective et dissimuler son œuvre. Haussmann est obligé de céder.

L'avenue de l'Opéra ne s'inscrit pas, à l'origine, dans le plan d'urbanisme devant remodeler Paris. Elle demeure comme le seul percement du baron Haussmann qui n'ait pas de réelle utilité, sinon de préserver la sécurité du prince et de permettre la réalisation d'immeubles cossus à but purement spéculatif : habitations, mais aussi, et surtout, sièges de grandes sociétés (banques et compagnies d'assurance), grands magasins et boutiques luxueuses.

Cette percée oblige à la démolition de tout un quartier. Les problèmes liés aux nombreuses expropriations gênent considérablement le bon déroulement des travaux et le respect des délais prévus. Ainsi, l'avenue de l'Opéra n'est achevée qu'en 1879, bien après la fin de l'édification du Palais Garnier et la chute du Second Empire.

Une première inauguration a lieu le 15 août 1867 pour la seule façade principale, achevée jusqu'aux mascarons, guirlandes et bas-reliefs les plus délicats de la frise de l'attique. En effet, à l'occasion de l'exposition universelle de 1867 et à la demande de l'empereur, ce morceau de bravoure si attendu est inauguré en grande hâte, bien avant que le reste de l'ouvrage ne soit terminé.