Henri Loyrette rencontre Daniel Percheron, président du Conseil régional Nord-Pas de Calais, à Lille en 2004 lors des manifestations célébrant la "Capitale Européenne de la Culture". L'idée est lancée. Lens n’est pas la seule ville à relever le pari, six villes se portent également candidates. Parmi elles : Amiens, Boulogne sur Mer, Calais, Valenciennes et Arras. Chaque ville dispose de 45 jours pour convaincre. Daniel Percheron, ainsi que le maire de Lens Guy Delcourt, mettent tout en œuvre pour que la ville sorte du lot. Une équipe municipale dédiée, assistée par la Mission Bassin Minier et la Communauté d’agglomération de Lens-Liévin, travaillent sur le projet. En tout, 45 personnes travaillent à temps plein sur le dossier. Un livre d’or est également ouvert, pour rendre compte de la ferveur populaire et porter la candidature lensoise avec l'esprit des supporters du RC Lens. Pas moins de 8000 signatures sont recueillies. 

La visite de Lens par le ministre de la Culture Renaud Donnedieu de Vabre doit consolider le choix final. Le 20 juillet 2004, lors de sa visite de l’ancien carreau de la fosse 9/9bis de Lens, il fait la rencontre de trois veuves de mineurs qui, sans le savoir, jouent le rôle d’ambassadrices. La conjonction des facteurs favorables – la situation géographique de la ville, le fait qu'elle ne dispose pas de musée, le passé industriel du site proposé et sa localisation dans Lens, l'implication de tous les acteurs, etc. – finit par emporter l'adhésion générale. Le choix de la ville de Lens est officialisé par Jean-Pierre Raffarin le 29 novembre 2004. 

Puis s’enchaînent les grandes étapes du projet : choix de l’architecte, du paysagiste, appels d’offres, chantiers, réflexion sur l’accompagnement du développement économique à mettre en place, promotion et sensibilisation au projet auprès de tous les publics... 

"La Route du Louvre", aventure humaine et sportive créée en 2005, renforce les liens entre Lille et Lens et sensibilise la population à l'arrivée du grand musée. À l'extérieur, l’événement culturel "En fanfare aux Tuileries" (2007) permet aux parisiens et aux touristes de découvrir, le temps d'un week-end, la tradition musicale du Bassin minier grâce à l'intervention de 30 musiciens d’harmonies. 

La pose de la première pierre a lieu le 4 décembre 2009, jour de la sainte Barbe (sainte patronne des mineurs), de même que l’ouverture de la "Maison du projet Louvre-Lens" à deux pas du chantier. Cet espace d’accueil et d'information, qui accueille 75 000 visiteurs en trois ans, est l’une des nombreuses actions de préfiguration mises en place pour promouvoir le Louvre-Lens sur le territoire. 

Trois années de chantier sont nécessaires pour permettre l'inauguration du Louvre-Lens, le 4 décembre 2012. Le bâtiment, conçu par les japonais de l'agence SANAA lauréate du prestigieux Pritzker, reçoit le Prix de l'Équerre d'argent en 2013. Les espaces publics aux abords du musée sont dessinés par deux Grands Prix d'urbanisme : Michel Desvigne et Christian de Portzamparc.