SNCF Réseau et SNCF Gares & Connexions sont les maîtres d'ouvrage de la LNSO (respectivement pour l'infrastructure et les gares nouvelles), c'est-à-dire les entités responsables de la réalisation du projet et de son pilotage depuis la conception jusqu'à la réception finale. Ils interviennent dans le cadre d'accords financiers conclus avec les partenaires (Etat, SGPSO) sur l'ensemble des opérations.
L'AGENCE GPSO
Entité de référence en termes de maîtrise d'ouvrage, l'Agence GPSO, créée au sein de SNCF Réseau le 4 avril 2023, a pour principale mission de piloter et coordonner l'ensemble des opérations de la LNSO : lignes et gares nouvelles, aménagements ferroviaires au sud de Bordeaux et au nord de Toulouse, intégration au réseau ferré national, avec une vision d'optimisation globale.