O Passeio ganha novo fôlego no início do século XX, principalmente durante a gestão do prefeito Pereira Passos, quando o parque recebeu diversos melhoramentos. Entre 1902 e 1906, a Inspetoria de Matas, Jardins e Arborização realizou uma transformação completa no Passeio. Na ocasião, a muralha em torno do jardim é substituída por um gradil e os dois portões laterais de madeira são trocados por outros de ferro. O ladrilhamento do terraço é reformado, as moitas que cobriam os troncos das árvores são arrancadas, é plantada uma nova grama, são instalados chalés de latrinas e mictórios e reformadas algumas construções. Nessa época também é instalada no parque a escultura do Velho (ver acervo artístico). Em 1906, Pereira Passos declara que o Passeio passou por algumas transformações e modificações que o tornaram mais aprazível.

Em 1904, o parque perdeu a área do belvedere para a abertura da Av.Beira-Mar, considerada a mais bela via corso do mundo. Com a obra, 76m de terreno da Rua do Passeio foram fechados e ajardinados. Os muros do parque também receberam uma limpeza especial. Na face que dava para a Av.Beira-Mar foram construídas escadarias de acesso e os parapeitos de alvenaria foram substituídos por balaústres de mármore, com candelabros de três a cinco lâmpadas. Em 1904, o jornalista João do Rio protestava, na Gazeta de Notícias, contra a destruição da praia que havia em frente ao Passeio, chamada de banhos do Boqueirão. A construção da Av.Beira-Mar afastaria para sempre o terraço do Passeio da praia.

Uma das mais importantes contribuições do período Passos para o Passeio foi a construção de um aquário de água salgada. O projeto, idealizado por Julio Furtado, inspetor das Matas Marítimas, teve o custo de 50 contos de réis.

A inauguração do aquário foi adiada várias vezes devido à dificuldade de obter água compatível com os organismos dos peixes. Por causa das impurezas, várias espécies morreram antes da abertura do aquário, que seria finalmente inaugurado em 17 de setembro de 1904. À cerimônia de inauguração compareceram o presidente Rodrigues Alves e o prefeito Pereira Passos, entre outras autoridades.

O aquário, o primeiro de água salgada da América do Sul, era habitado por cerca de 35 diferentes espécies de peixes, moluscos, crustáceos e quelônios. Podiam ser vistas também plantas aquáticas, tartarugas-marinhas, um polvo, lagostas, cavalos-marinhos, ouriços e estrelas-do-mar. A água, trocada duas vezes por semana, era captada no mar através de uma embarcação e em seguida filtrada e transferida para os tanques por um tubo de borracha.

Em seus três primeiros meses de funcionamento, o aquário foi visitado por mais de nove mil pessoas. O Prefeito Pereira Passos declarou na época que o aquário tornaria os jardins do Passeio mais dignos do interesse do público e sobretudo dos estrangeiros que visitavam a cidade.

O aquário, registrado pelas lentes de Augusto Malta, possuía, segundo Charles Dunlop, estilo oriental e era formado por um vestíbulo, por onde entravam as pessoas, e uma galeria de vinte tanques e piscinas. Até 1938, o aquário foi uma das maiores atrações do Passeio e da cidade. Para o professor Ferreira da Rosa, o Aquário era um instrumento de ensino que o público freqüentava assiduamente e por onde desfilava a mocidade das escolas ao familiarizar-se com os primeiros rudimentos da História Natural.

Nos anos 20, o Passeio voltou a entrar em estado de abandono. Nesta época, a realização de um novo aterro afastou ainda mais o Passeio do mar. O belvedere do parque, incluindo as mesas de pedra, é demolido em 1920, durante a administração do prefeito Carlos Sampaio. Em seu lugar foi construído o Teatro-Cassino Beira Mar, projetado pelo arquiteto Heitor de Mello. Nessa época também são retirados os gradis de 1862 e demolidas as palmeiras centenárias.

No Teatro-Cassino Beira Mar, também chamado de Beira Mar Cassino, funcionava um teatro e um cabaré. A estréia oficial do teatro deu-se em 1926, com a peça A Sorte Grande, de Manuel Bastos Tigre. As atrações do local variavam de apresentações da exótica dançarina norte-americana Josephine Baker a companhias de teatro de nomes consagrados. Jayme Costa, por exemplo, encenou no Teatro-Cassino várias peças, como Uma Noite em Claro, O Processo Voronoff, Espumante para Senhoras e A Família Kollossa, entre outras.

No Teatro-Cassino nasceram também dois importantes movimentos do moderno teatro brasileiro. A 10 de novembro de 1927 estreava no antigo belvedere do Passeio Público a peça Adão, Eva e outros membros da família, encenada pela companhia Teatro de Brinquedo, liderada pelo casal Álvaro e Eugênia Moreyra. A peça chamou a atenção pelos cenários realizados por Di Cavalcanti e Luiz Peixoto e por apresentar atores praticamente desconhecidos. A companhia Teatro de Brinquedo, que introduziu no Brasil autores como Pirandello e Cocteau, era formada por jovens oriundos da burguesia e formou talentos como Joracy Camargo.

Também no Beira Mar Cassino nasceu a companhia Caverna Mágica, liderada por Renato Viana, que mais tarde seria o primeiro diretor da Escola de Teatro Martins Pena, no Centro do Rio. Fazia parte da Caverna, um jovem ator, que depois se destacaria como um dos maiores dramaturgos brasileiros: Paschoal Carlos Magno. Em 1934, Viana criou, no Cassino, o projeto Teatro-Escola, com o objetivo de formar jovens talentos, produzir espetáculos populares e democratizar o acesso ao teatro. A estréia do projeto se deu com Sexo, peça lançada em 20 de outubro de 1934, com um elenco estelar: Jayme Costa, Olga Navarro, Delorges Caminha, Itália Fausta e Suzanna Negri, com direito ainda à coreografia especialmente elaborada pela vedete Eros Volúsia.

Na administração de Henrique Dodsworth (1937 - 1945) são demolidos os prédios onde funcionava o Teatro-Cassino. Com a demolição, o terraço do Passeio é liberado, o jardim é restaurado e é criada a Rua Mestre Valentim, hoje incorporada à Av.Beira Mar. Na ocasião também são realizadas obras na Ruas do Passeio e Luís de Vasconcelos, e em toda a área em volta do parque.

Em artigo intitulado O Passeio Público e as suas transformações, publicado em 14 de outubro de 1937, o jornal A Noite saúda a demolição do Cassino, chamando-o de emplastro pretensioso e floreado em que a engenharia municipal resumira, certa vez, a sua concepção da nova arquitetura brasileira.

Em junho de 1938, o Passeio Público do Rio de Janeiro é tombado pela SPHAN nas categorias Livro Histórico e Livro de Belas Artes. Em 1946, uma inspeção técnica realizada no parque verificou que as pirâmides estavam revestidas por hera espessa, que se alastrava pelos medalhões de mármore. Um dos medalhões estava quebrado, enquanto o gradil de ferro se encontrava danificado na parte inferior pela ação da maresia, ferrugem e urina. A ponte de ferro imitando galhos de árvore também se achava danificada. No ano seguinte, o Correio da Manhã, no artigo Como vai o Passeio Público? denunciou o estado de abandono do parque: (...) Gramado todo ralo de grama pisada em largos trechos e noutros em nenhum vestígio de sua existência anterior(...) Transitar ali nos dias de chuva é penoso sacrifício e nos dias secos uma feira livre atrapalha-nos a caminhada. Não pode a Prefeitura alegar que não tem pessoal para tratar do jardim naquela face (...).

Com todas essas denúncias, o Departamento de Parques, da Secretaria Geral de Viação e Obras da Prefeitura do então Distrito Federal, realizou nova inspeção no jardim e, em ofício ao presidente do SPHAN, Rodrigo Melo Franco de Andrade, solicitou a recomposição do Chafariz dos Jacarés e a substituição do menino de chumbo por um serafim em mármore de Lioz, ou bronze, semelhante ao original desaparecido. Rodrigo Melo Franco de Andrade argumentou que não era recomendável a recomposição da fonte, pela impossibilidade de reproduzir fielmente as peças originais desaparecidas.

O Passeio serviu como locação para o filme A Grande Cidade, de Cacá Diegues, com Antonio Pitanga e Anecy Rocha no elenco. No filme, de 1966, ainda se via o busto da deusa Diana no Chafariz dos Jacarés. Alguns anos antes, em 1933, o Teatro-Cassino Beira Mar havia sido locação para o documentário A Voz do Carnaval, produzido pela Cinédia e estrelado por Carmen Miranda, Lamartine Babo, Pablo Palitos, Jararaca & Ratinho, entre outras estrelas da época.

O parque voltou a ser cercado por gradis um pouco antes de 1969. Em abril de 1988, o Passeio foi reaberto após uma longa reforma. O parque ganhou iluminação especial e mais um portão de acesso (hoje fechado). Foram investidos cerca de quatro milhões de cruzados na limpeza do jardim, no plantio de novas mudas e na restauração das fontes, bustos, estátuas e pontes. As galerias de águas pluviais e a balaustrada em bronze também foram recuperadas. As pirâmides ganharam retoques em toda a cantaria e gradis mais altos foram instalados para controlar o acesso ao parque. A reforma de 88, empreendida pelo Departamento Geral de Parques e Jardins da Secretaria Municipal de Obras e Serviços Públicos, recuperou mil metros do parque, que haviam sido perdido para a abertura da Av.Beira-Mar. O espaço recuperado é equivalente ao antigo belvedere do Passeio.

Em fevereiro de 1998, foi realizado um trabalho de limpeza no Passeio. Em 1999, os gradis foram restaurados.