Nhận thấy sự phát triển của hệ thống cơ sở hạ tầng chưa tương xứng với đẳng cấp của đội tuyển, lãnh đạo Sở Thể dục Thể thao đã tức tốc làm tờ trình gửi Ủy ban nhân dân tỉnh xin nâng cấp, cải tạo và mở rộng sân vận động thành phố Vinh. Dự án này đã được Ủy ban Nhân dân tỉnh phê duyệt vào ngày 23 tháng 9 năm 1999 với tổng mức đầu tư là 20.800 triệu đồng. Với mục tiêu nâng cấp Sân Vinh đạt tiêu chuẩn quốc tế phục vụ thi đấu các môn thể thao như bóng đá, điền kinh và một số hoạt động văn hoá lớn của tỉnh và toàn quốc trong thời gian 50 năm, đợt cải tạo và nâng cấp này đã mở rộng mặt sân bóng đá với diện tích 8.436 m2, mở rộng khán đài B để bố trí thêm 1.000 chỗ ngồi, xây mới khán đài A có sức chứa 7.000 chỗ ngồi, trong đó 5.000 chỗ ngồi ghế tựa, có mái che. Ngoài ra, hệ thống cấp thoát nước cũng được đầu tư, cải tạo theo cấu trúc 2 lớp chạy xung quanh sân (lớp phía trong đường chạy vòng và lớp dọc dải phân cách giữa khu khán giả và đường chạy) với tổng chiều dài 760m. Sau ba năm thi công, đến mùa bóng 2002-2003, việc nâng cấp mặt sân thi đấu hoàn thành và bàn giao, đưa vào sử dụng.

Năm 2003, hạng mục xây dựng khu vực I - II khán đài A (bao gồm cả việc lắp đặt hệ thống ghế ngồi) đã hoàn thành với số vốn đầu tư gần 11 tỷ đồng. Năm 2006, hệ thống mương thoát nước của sân Vinh cũng đã được bàn giao, đưa vào sử dụng. Đến năm 2016, để phục vụ cho công tác tổ chức Hội khỏe Phù Đổng toàn quốc, Sở Văn hoá - Thể thao và Du lịch Nghệ An đã cho nâng cấp toàn bộ sân vinh. Khoảng 6.000 chiếc ghế đã được lắp ráp tại khán đài B sân Vinh. Kể từ khi được xây dựng vào những năm 1973-1974, đây là lần đầu tiên SVĐ Vinh được tu sửa với quy mô lên đến 10 tỷ đồng. Khán đài C và D vốn rêu phong ẩm mốc cũng được xây lại và lắp rào chắn mới hoàn toàn. Không chỉ có khán đài B, khán đài D khu vực dành cho các CĐV đội khách tại V.League cũng được lắp khoảng hơn 500 ghế ngồi và các phòng chức năng của sân vận động cũng đã được tu sửa.