การบูรณะ เนื่องจากพระราชวังเดิมมีความสำคัญดังกล่าวข้างต้น จึงมีการสำรวจสภาพ ทั่วไปของโบราณสถานต่างๆ ในพระราชวังเดิมเมื่อปี พ.ศ. 2538 พบว่าทุกอาคาร อยู่ในสภาพที่ทรุดโทรมเป็นอย่างมาก ซึ่งเป็นผลจากการเสื่อมสภาพตามกาลเวลา การขาดการบูรณะซ่อมแซมอย่างต่อเนื่อง และการบูรณะที่ผิดวิธี ดังนั้นเพื่อเป็นการอนุรักษ์ให้โบราณสถานแห่งนี้คงสภาพที่ดีต่อไป จึงมีความจำเป็น ที่จะต้องทำการบูรณะอย่างรีบด่วน พลเรือเอก ประเจตน์ ศิริเดช ผู้บัญชาการทหารเรือ ในขณะนั้น และ แพทย์หญิง คุณหญิงนงนุช ศิริเดช นายกสมาคมภริยาทหารเรือ จึงได้คิดจัด โครงการบูรณะโบราณสถานในพระราชวังเดิมขึ้น โดยได้เชิญผู้เชี่ยวชาญในสาขาต่างๆ ทั้ง ภายในและภายนอกกองทัพเรือเข้าร่วมเป็นกรรมการ พร้อมทั้งกราบบังคมทูลเชิญ สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารีเป็นองค์ประธานที่ปรึกษา ซึ่งพระองค์ ท่านได้ทรงพระกรุณาเสด็จพระราชดำเนินมาเปิดโครงการ และบวงสรวงพระมหากษัตริย์ ที่เคยประทับในพระราชวังเดิม เมื่อวันที่ 15 พฤษภาคม พ.ศ. 2538
2. ขั้นตอนการดำเนินงานบูรณะโบราณสถาน
การบูรณะโบราณสถาน การบูรณะโบราณสถานในพระราชวังเดิมแบ่งเป็น 2 ขั้นตอนหลักๆ ได้แก่ - ขั้นตอนที่ 1 (Stabilization) : เป็นการบูรณะซ่อมแซมอาคารให้อยู่ใน สภาพที่มั่นคงแข็งแรง และแก้ปัญหาทางกายภาพ (คือทำให้คืนสภาพเดิมก่อน) เช่น การแก้ไขในเรื่องของความชื้น แก้การชำรุดของหลังคา(หลังคารั่ว) และแก้การทรุดตัว ของอาคาร เป็นต้น - ขั้นตอนที่ 2 (Rehabilitation) : เป็นการบูรณะตกแต่งทางด้าน สถาปัตยกรรมให้อาคารอยู่ในสภาพสมบูรณ์ (ฟื้นสภาพและปรับปรุงรูปแบบทาง สถาปัตยกรรมเพื่อให้สอดคล้องกับรูปแบบของอาคารในอดีตและเหมาะสมกับการใช้งาน ในปัจจุบัน) เช่น การตกแต่งภายใน การตกแต่งสี และลวดลายของประตูหน้าต่าง เป็นต้น ในขั้นตอนนี้ได้มีการสร้างรูปแบบใหม่ในหลายส่วน เนื่องจากตัวอาคารถูกเปลี่ยนแปลง ไปมาก โดยใช้พื้นฐานของข้อมูลเดิม ศิลปะร่วมสมัย แนวทางในการนำเสนอและการใช้ ประโยชน์ในปัจจุบัน พร้อมกับทำให้กลมกลืนกับสภาพโดยรอบและถูกต้องตามข้อมูล ทางประวัติศาสตร์ รูปแบบใหม่ที่นำเสนอต่อคณะกรรมการเพื่อหาข้อยุติ มีข้อมูลสำหรับเปรียบเทียบ มีทางเลือกและมีเหตุผลในเชิงอนุรักษ์สถาปัตยกรรมมาประกอบ โดยในการดำเนินการ ทั้งสองขั้นตอนนั้น ได้มีการหาข้อมูลทางประวัติศาสตร์ เช่น จากจดหมายเหตุบันทึก และรูปถ่ายเก่า มีการตรวจหาสภาพปัจจุบัน ทั้งขนาด (กว้าง x ยาว x สูง) โครงสร้าง การตกแต่ง การใช้สี การตรวจสอบสภาพของปัญหาโดยมีการบันทึก และถ่ายรูป เจาะปัญหา และภาพรวมของปัญหา รวมทั้งการขุดค้น ขุดเจาะชั้นดินมาประกอบ แล้วนำมาเป็นเครื่อง ช่วยตัดสินใจหาแนวทาง รูปแบบ และข้อสรุปในการดำเนินการบูรณะซ่อมแซม โบราณสถานในพระราชวังเดิมเท่าที่ยังปรากฏก่อนการบูรณะ ได้แก่ 1. ท้องพระโรง 2. ตำหนักเก๋งสมเด็จพระปิ่นเกล้าเจ้าอยู่หัว 3. ตำหนักเก๋งคู่หลังเล็ก 4. ตำหนักเก๋งคู่หลังใหญ่ 5. ศาลสมเด็จพระเจ้าตากสินมหาราช 6. ฐานของศาลศีรษะปลาวาฬ 7. ป้อมวิไชยประสิทธิ์ นอกจากนั้นยังรวมถึงประตูและกำแพงพระราชวัง สำหรับการบูรณะในแต่ละอาคาร ได้ดำเนินการในส่วนหลักๆ ดังนี้ คือ หลังคา ฝ้าเพดาน ผนัง เสา พื้น บันได ประตู หน้าต่าง และปรับปรุงส่วนของระบบอาคาร