I april 1903 blev der sluttet overenskomst mellem Statsbanerne og Korsør byråd om en stationsudvidelse. Ifølge overenskomsten skulle der bl.a. bygges et færgeleje syd for de to eksisterende, en ny stationsbygning syd for lejet, to bølgebrydere, fodgængertunnel, viadukt, kultransportbro og bolværker. Fæstningspynten skulle afskæres, og den hidtidige station omdannes til godsbanegård. Endvidere indgik bygning af en lokomotivremise og kulgårde i projektet.
Allerede i 1903 blev der ud for havnen bygget to bølgebrydere, hvoraf den nordlige ved Strandvej var landfast. Omkring årsskiftet 1903-04 blev kontrakter indgået om bygning af en viadukt, der skulle forbinde Tårnborgvej og Annagade. Den blev indviet den 29.5.1905. Statsbanerne havde haft i tankerne at eta-blere en vejtunnel; men løsningen med en vejbro var billigere. Tilkørselen til Viadukten skete i hver ende på en dæmning. Selve broen hvilede på fire granitpiller, og den havde en jernkonstruktion med tre spænd.
I foråret 1904 kunne arbejdet på det nye færgeleje (senere leje 1) og bolværkerne påbegyndes. Lejet blev placeret, hvor der hidtil havde ligget et reserveleje, og de to hvide fyrtårne blev revet ned. Galgen til det nye leje blev højere og bredere end de to hidtidige lejers og færgeklappen blev længere, 24 m mod de andres 18 m. Hældningen blev derved mindre ved høj- og lavvande, således at de nye sovevogne ikke blev beskadiget. Klappen blev hejst op og ned med et elektrisk spil.
I foråret var aftalerne om en remisebygning på Dyrehovedgårds Allé også på plads. Den skulle have 25 pladser, to drejeskiver og vandtårn samt mandskabsbygning med værelser til overnattende lokomotivpersonale. Arkitekt var Statsbanernes overarkitekt professor Heinrich Wenck. Sidst på sommeren kunne arbejdet på tunnelen under baneterrænet gå i gang. Den skulle være forbindelsesled mellem bydelene og adgangsvej til perronerne. Igennem portaler var der adgang fra Banegårdspladsen, Halsskovvej og Strandvej. Der var piloteret under hele tunnelen, hvis indre havde granitpuds forneden, var hvidtet foroven og der imellem havde et bånd af gule glaserede sten. Den stod færdig den 23.12.
Ved remisen blev bygget to store kulgårde, én til forsyning af lokomotiverne og én til forsyning af færgerne. En bevægelig brokran læssede kullene på lokomotivernes tendere og godsvogne, der transporterede kullene til færgerne. I 1905 stod en elektrisk bane klar til transport af kullene fra Amerikakajens nordende til kulgårdene. En kulkran, senere to, førte med damphejsespil tipkasser med kul fra skibene op til et lille tog, der bestod af et elektrisk lokomotiv og fire undervogne, hvorpå tipkasserne anbragtes. Der var tre sådanne tog. De kørte med en fart af ti kilometer i timen på en højbane, der på et træstillads gik mod nord, svingede mod øst på en stålbro tværs over godssporene, fortsatte langs banens østside igen på et træstillads, og på højde med kulgårdene drejede mod vest over sporarealet på en stålbro. Tipvognene tippede kullene ned i kulgårdene.
I efteråret 1905 påbegyndtes bygningen af det mest imponerende anlæg, den nye stationsbygning. Den lå på opfyldt areal, og der var piloteret i løbet af sommeren. Man havde oprindelig ikke regnet med, at der skulle opføres en ny banegård, og først efter protester fra Korsør kommune bøjede Statsbanerne sig. Den 5.4. meddelte generaldirektør Ambt, der tidligere havde projekteret Korsørs vandværk og kloakanlæg, beslutningen i et brev til borgmester Nanke og tilføjede: ”Nu har jeg strakt mig saa langt, som jeg kan”. Wenck var også arkitekt på denne bygning. Den rummede mod vest toldkammer og mod øst jernbanestation. Imellem de to førte en gang, Kielergangen, fra Banegårdspladsen, hvor skibene fra Kiel nu lagde til, til perronerne. Passagerer fra udlandet måtte jo underkastes toldeftersyn. Wenck mente, at udlændinge, der kom til Danmark, skulle mødes med monumentalitet, derfor den imponerende bygning.
I en mindre bygning øst for stationsbygningen var der ilgodspakhus. Stationsbygningen var iøjnefaldende med kobbertårn, sortglaserede tegl, cementrelieffer og døre af whitewood med ruder af dobbelt tykt engelsk glas og billedudskæringer. Inde i bygningen fandtes 1.-3. klasses ventesale, 1.-2. klasses restaurationer, billetsalg, kontorer, rejsegodsekspedition, overnatningslokaler mv. Bygningen blev indviet den 21.1.1907 med kongelig deltagelse. Der blev etableret et omfattende sporanlæg og fire perroner. Perronerne fik flot svungne tage af bølgeblik.