Au deuxième étage, commence l'atelier conçu spécialement par l'architecte Albert Lafon à la demande de Gustave Moreau en 1895 afin d'y accrocher les toiles de grandes dimensions.
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Tyrtée chantant pendant le combat et Les Prétendants, commencés très tôt, ont été agrandis à la fin de 1882, à un moment où le peintre songeait à l'organisation d'une grande exposition - posthume ? - de son œuvre. Quant au Retour des Argonautes, dont la composition était prévue avant 1885, il a été peint vers 1891, puis agrandi après la construction des grands ateliers et repris en 1897. Pour cette grande peinture, sont conservés de nombreux dessins et une maquette en cire du bateau chargé de "toutes les chimères de la jeunesse". "Et pourtant tout est rythmé dans ce groupe symbolique et allégorique de la jeunesse, car il faut que rien ne vienne détruire ou atténuer cette impression de bonheur qui ne peut se rendre que par un ensemble de lignes adoucies, sinueuses et d'une harmonie instable et frappante". Avec Les Filles de Thespius, on ne peut s'empêcher de songer au Bain turc, le chef-d'œuvre tardif d'Ingres, devant cette glorification tardive de la jeunesse par l'artiste vieillissant.
A côté de tableaux qui sont le résultat de travaux sans cesse repris, il en est d'autres exécutés rapidement et non repris comme Les Chimères qu'il aurait mené à bien en quatre mois (il l'a laissé largement à l'état de dessin sur toile) ou Moïse sauvé des eaux, aux rouges et noirs flamboyants, peint vers 1893.