La cuarta fase del proyecto de rehabilitación y ampliación del Museo de San Pío V planteó como objetivo fundamental ampliar el edificio para dotarlo de nuevos espacios expositivos, almacenes, talleres y servicios, unificando compositiva y volumétricamente
ésta fase y las tres fases anteriores.
La rehabilitación del edificio original, la reconstrucción de la cúpula de su iglesia octogonal, y de su espacio resultante, por su significación como núcleo del nuevo museo (para recuperar la imagen urbana que desde el S. XVIII, queda reflejada como hemos indicado en multitud de grabados de la Ciudad), junto a la ordenación del entorno, son particularmente importantes en una zona rica en vestigios del pasado valenciano, como los pretiles del viejo cauce del Turia, el vecino convento de la Trinidad así como los antiguos Jardines del Real.
Su rehabilitación se planteó a partir de una decidida recuperación de la estructura básica del conjunto: un claustro de planta cuadrada con galerías en sus lados, con excepción del ala oeste, donde la iglesia octogonal anula el cuerpo claustral, y un bloque lineal que se desarrolla paralelamente al río, apoyado en uno de los lados del templo.
El conjunto de edificaciones que a lo largo del tiempo se fueron adosando al proyecto básico, realizado en el S. XVII por Juan Bautista Pérez y, tras su muerte, por Josep Mínguez, ha alteraron las trazas originales de aquel proyecto, dando lugar a una aglomeración de elementos que dificulta su lectura.
Las construcciones adosadas en la vertiente norte del conjunto, levantadas sin más límite ni proyecto que el de los lindes de la propiedad, junto a la pequeña capilla neogótica que fue incluida en el espacio central del templo, demolido parcialmente en 1924, constituyen las partes adventicias que se eliminaron para posibilitar la adecuada lectura del conjunto original y, en consecuencia, de su tratamiento y aplicación. Sin embargo, el mantuvo algunas de las construcciones adosadas en su vértice noreste por sus especiales características.
Como resultado de aquella eliminación, la iglesia octogonal se convirtió en el núcleo que articula el bloque claustral y la ampliación que se construye de nueva planta; sus ejes, el principal dado por la fachada-retablo de acceso y el perpendicular a él, son las directrices que ordenan no sólo las partes antiguas sino también las de la intervención en la IVª Fase donde se realizó fundamentalmente la ampliación hasta conseguir un espacio adecuado para el museo, entroncando esta ampliación con el edificio claustral, de tal forma que entre la diversidad y la semejanza de ambas partes, lo antiguo y lo nuevo, y se estableció la relación que debe dar unidad al conjunto.
