Architecte diocésain proche des Monuments Historiques, Léonce Reynaud ne se contente pas de théoriser sur Cordouan. Au début du Second Empire, il prend l'initiative d'une importante restauration qui marque encore profondément le bâtiment. Celle-ci est conduite par l'ingénieur en chef des Ponts et Chaussées de Gironde, Pairier.
Malgré l'absence d'un dossier complet, on peut cependant indiquer les principaux travaux entrepris. Les pierres rongées par le sel sont remplacées sur le fût, redonnant au passage leur visibilité aux éléments de l'ornementation royale. La dimension religieuse de l'édifice fait également l'objet de soins attentifs dans une période où le pouvoir impérial cherche à s'attirer le soutien de l’Église. La restauration complète de la chapelle – ses marbres, ses vitraux, son autel – doit permettre de la rendre au culte des fidèles et à la dévotion des marins. On doit également à Reynaud et Pairier la rénovation des logements des gardiens et des locaux techniques adossés à la couronne qui entoure le phare. La toiture actuelle ainsi que la chambre dite du « Lieutenant du Roi » datent de cette époque.
