La logique développée par les ingénieurs d'une succession de bassins accompagnant la croissance du port rencontre sa limite physique au pied de l'Estaque. Dès le plan-directeur de l'ingénieur Guérard en 1890, le développement du port se tourne vers des ressources externes : le chantier du canal de Marseille au Rhône est décidé en 1903, et la loi du 24 octobre 1919 sur les annexes du port de Marseille projette le développement d'une zone industrialo-portuaire sur le littoral de Port-de-Bouc et le long de l'étang de Caronte. La réalisation du bassin Mirabeau s'échelonne sur une longue durée et donne lieu à de nombreuses remises en question du tracé des ouvrages jusqu'aux années soixante.

Un avant-projet du bassin Mirabeau est tracé en 1911 par l'ingénieur en chef Batard-Razelière qui reprend la disposition oblique des môles, les dimensions sont accrues et la digue extérieure est à nouveau déviée vers le large. Le terre-plein de Mourepiane est construit entre 1901 et 1915 puis aménagés vers 1920. Le bassin Mirabeau est conçu pour recevoir des navires mesurant jusqu'à 300 mètres de long, cet étalon servant à déterminer les linéaires du quai de rive construit en 1916. La construction du bassin Mirabeau est déclarée d'utilité publique par la loi du 24 octobre 1919, sans cependant que son tracé définitif soit décidé.

Dès 1916, le prolongement de la digue est entrepris selon le tracé établi par Batard-Razelière sur une longueur de 275 mètres.

En 1920, un projet de l'ingénieur en chef Renard révise le tracé général des ouvrages intérieurs et propose une disposition des môles parallèles à la rive, qui autorise des quais rectilignes de grande longueur. Ce dispositif, adopté par l'ingénieur ordinaire Léon Gourret pour son projet de môle central du bassin Mirabeau en 1935, ne sera réalisé qu'à la fin des années soixante.

En 1925, une nouvelle section de 300 mètres de digue est construite. Les travaux du bassin Mirabeau reprennent en 1927 en application du décret présidentiel d'autorisation du projet de 1926. Les ingénieurs Bézault et Sainflou font encore évoluer le tracé entre 1930 et 1940. Les ingénieurs Gourret et Barrillon reformulent aussi le projet. La Seconde Guerre Mondiale interrompt les travaux de 1943 à 1946. La forme de radoub n°8 est construite entre 1956 et 1959 et le forme n° 9 est construite vers 1960, elles seront équipées entre 1962 et 1966. La reconstruction du bassin s'achève en 1960. En 1964, un môle baptisé Léon Gourret est construit par Barrillon en hommage à l'ingénieur en chef. Le terminal à conteneurs de Mourepiane est aménagé en 1979.