La municipalité toulousaine prévoit une urbanisation plus réglée de ce quartier, ouvert sur la ville depuis la destruction des remparts à la fin des années 1820. Le plan général des alignements réalisé par Urban Vitry en 1841 prévoit le percement de nouvelles rues (Belfort, Caffarelli, Denfert-Rochereau, Stalingrad), et d'une place (Belfort), dans ce qui n'était que jardins.
Ces nouvelles rues sont en partie réalisées à partir de 1844, puis le projet prend plus d'ampleur à partir de 1859 et l'ouverture de la gare. Les rues Raymond IV ou Bertrand de Born, non prévues dans le plan des alignements, sont créées dans la seconde moitié du 19e siècle.
L'usine à gaz
En 1840, il est décidé d'établir l'éclairage au gaz à Toulouse. Le 10 août 1841, la concession est accordée à la compagnie continentale de Londres, qui établit une usine à gaz dans le quartier Bayard (rue du Moulin-Bayard) avec un atelier destiné à l'extraction du gaz de la houille. Le charbon, arrivé par mer à Bordeaux, était acheminé par le canal du Midi. L'usine à gaz occupait un vaste terrain, entre les rues Bertrand-de-Born et de Belfort actuelles.
La construction de la gare (1856) et l'arrivée du chemin de fer (1857) : un dynamisme qui se poursuit jusque dans les années 1930
En 1854, en prévision de la construction de la gare au-delà de l'écluse Bayard, la municipalité décide la création d'une rue monumentale allant de la future gare à l'angle nord-est de la place du Capitole, en coupant dans le tissu urbain existant, en passant par la place Victor-Hugo. Cette rue devait être bordée de façades uniformes, à l'image de ce qui se fera dix ans plus tard pour les rues d'Alsace-Lorraine et de Metz.
Il est finalement jugé moins coûteux de redresser et de réaligner la rue de Bayard. Dans sa séance du 14 juillet 1860, le conseil municipal adopte le principe de l'élargissement de la rue Bayard à 16 mètres et la communication du boulevard et de la gare. Allant de pair avec ces dispositions, le pont Bayard, permettant un accès direct de la gare au centre ville, est construit en 1860.
L'essentiel des constructions ouvrant sur la rue de Bayard date de la seconde moitié du 19e siècle, entraîné par la dynamisation de ce quartier par l'arrivée du chemin de fer. Il amène également la construction d'hôtels de grand standing, dont certains sont toujours en place (hôtels Régina 73 rue de Bayard, d'Orléans au n° 72, Victoria au n° 76).
De grands noms de l'architecture toulousaine de la fin du 19e siècle (Jacques Lacassin, Georges Masquet, Jules Calbairac, Étienne Gogé,...) et de la première moitié du 20e siècle (les frères Thuriès, Joseph et Jean-Louis Gilet) reviennent à de nombreuses reprises dans les demandes de permis de construire.
Une activité industrieuse
De grandes entreprises y établissent leurs bureaux et ateliers (l'hôtel de la Dépêche, au n° 57, disparu, construit en 1890 par J. Galinier, associant bureaux et imprimerie, ou l'immeuble Bancal (n° 54) en 1936, prouesse technique de la façade associant béton armé et grande surface vitrée à ossature en fer, dans un style art déco, à la fois édifice commercial et logement du propriétaire).
De nombreuses activités artisanales et industrielles sont installées rue de Bayard : fabricants de produits chimiques, de fils électriques, de carton, bourreliers, fondeur sur métaux, fabricants de carreaux et mosaïque, de fourneaux, de papiers peints, de viraux peints, de biscuits, de caoutchouc, un forgeron, ainsi que des ateliers de réparations agricoles ou encore des entrepôts généraux de matériaux de construction.
Les ateliers se trouvaient en général en fond de cour, desservis par un passage couvert, tandis que l'immeuble en front de rue abritait les locaux commerciaux et des appartements aux étages.
La fin du 19e siècle est également marquée par l'arrivée de la prostitution, les hôtels de passe présents dans le quartier contribuent à la mauvaise réputation du lieu, s'amplifiant durant le 20e siècle.