Negli anni successivi all'insediamento degli Istituti GEA nel complesso Cavalli proseguono i lavori di sistemazione e ampliamento, atti a soddisfare le crescenti esigenze di spazio delle scuole e delle collezioni, che via via si arricchiscono di nuovi importanti reperti.
Se nell’aprile del 1945 si paventa la necessità di proteggere il complesso dai bombardamenti aerei mediante difese antischegge, nei decenni successivi il ciclo decorativo di Palazzo Cavalli continua a veder minacciata la sua integrità: da atti di vandalismo, dall’inquinamento, da risalite di umidità. Più volte nel corso della seconda metà del Novecento i restauratori incaricati dalla Soprintendenza intervengono a sanare le effluorescenze igroscopiche e a consolidare le pareti deteriorate. Di particolare rilievo i lavori compiuti in Sala della Caccia, dove è murata la porta improvvidamente ricavata sulla parete affrescata del lato meridionale, o quelli nell’atrio e nelle sale del lato orientale, solo di recente liberate dagli alti armadi che ne rivestivano le pareti.
Più consistenti modifiche interessano i nuovi fabbricati, che si affacciano sul cortile interno. Già nel 1934 è documentata una proposta di sistemazione della facciata est dell'edificio acquistato negli anni Dieci di fronte alle Porte Contarine, che non ebbe però seguito.
Nel 1958, per sopperire alle rinnovate esigenze di spazi delle sempre più corpose collezioni didattiche e scientifiche, il corpo di fabbrica lungo Corso Garibaldi viene sopraelevato. Tra il 1963 e il 1966 il vecchio edificio sull'ormai ex Naviglio è demolito e sostituito da un nuovo fabbricato modellato su quello ottocentesco dirimpettaio. Viene inoltre aggiunto un nuovo corpo di fabbrica a sud-ovest del cortile interno, munito di scala e ascensore.
Il complesso di Palazzo Cavalli perde così definitivamente il suo respiro di villa suburbana, ma si appresta nel contempo a una nuova importante rinascita.
Palazzo Cavalli è oggi sede del Centro di Ateneo per i Musei, che coordina le attività dei 13 musei universitari di Padova, e ospita al suo interno le collezioni del Museo di Geologia e Paleontologia nell'allestimento realizzato nel 2010 dallo studio Giovanna Mar.
In previsione degli Ottocento anni dell'Ateneo (2022), il complesso è attualmente sottoposto a interventi di restauro e lavori di adattamento per la realizzazione del Museo della Natura e dell'Uomo: museo scientifico interdisciplinare, laboratorio esperienziale e centro di ricerca di eccellenza, accoglierà al suo interno le ricchissime collezioni naturalistiche, raccolte da studiosi ed esploratori dell'Università degli Studi di Padova nel corso dei secoli, dando vita ad una narrazione coerente e appassionante sulla storia del nostro pianeta. Una storia lunga più di 4 miliardi di anni fa, scritta nelle rocce, nei fossili, negli adattamenti degli animali, nei millenari artefatti dell'umanità.