Gruntowną przebudowę gmachu rozpoczęto w 2004 roku. Otwarcie kina po modernizacji miało miejsce 7 października 2006 roku (bądź dzień wcześniej). Nazwę obiektu zmieniono na Centrum Sztuki Filmowej. Bryłę kina całkowicie zmieniono na podstawie projektu architekta Jacka Machnikowskiego. Po poprzednim wystroju pozostały żyrandole i ścienna mozaika autorstwa Klaudiusza Jędrusika, przedstawiająca Pana Twardowskiego na kogucie. Przebudowa otrzymała antynagrodę – Betonową Kostkę.
W 2009 roku Centrum Sztuki Filmowej odwiedziło 174 tys. widzów, a rok później, po czterech latach od przebudowy kino powróciło do swojej poprzedniej nazwy (Centrum Sztuki Filmowej – Kino Kosmos) i z tej też okazji na elewacji budynku zamontowano nowy neon, który został oficjalnie włączony 15 października.
W 2012 roku zmieniono aranżację holu budynku według projektu pracowni Wzorro. Architekci dostosowali stylistykę wnętrz do estetyki przełomu lat 50. i 60. XX wieku, gdy powstało kino „Kosmos”, które posługiwało się już wówczas wyłącznie tą nazwą.