เนื่องจากพระราชวังเดิมมีความสำคัญดังกล่าวข้างต้น จึงมีการสำรวจสภาพทั่วไปของโบราณสถานต่างๆ ในพระราชวังเดิมเมื่อปี พ.ศ.2538 พบว่าทุกอาคารอยู่ในสภาพที่ทรุดโทรมเป็นอย่างมากซึ่งเป็นผลจากการเสื่อมสภาพตามกาลเวลาการขาดการบูรณะซ่อมแซมอย่างต่อเนื่อง และการบูรณะที่ผิดวิธี

ดังนั้นเพื่อเป็นการอนุรักษ์ให้โบราณสถานแห่งนี้คงสภาพที่ดีต่อไป จึงมีความจำเป็นที่จะต้องทำการบูรณะอย่างรีบด่วน พลเรือเอกประเจตน์ ศิริเดช ผู้บัญชาการทหารเรือในขณะนั้นและ แพทย์หญิงคุณหญิงนงนุช ศิริเดช นายกสมาคมภริยาทหารเรือจึงได้คิดจัดโครงการบูรณะโบราณสถานในพระราชวังเดิมขึ้น โดยได้เชิญผู้เชี่ยวชาญในสาขาต่างๆ ทั้งภายในและภายนอกกองทัพเรือเข้าร่วมเป็นกรรมการพร้อมทั้งกราบบังคมทูลเชิญ สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารีเป็นองค์ประธานที่ปรึกษา ซึ่งพระองค์ท่านได้ทรงพระกรุณาเสด็จพระราชดำเนินมาเปิดโครงการ และบวงสรวงพระมหากษัตริย์ที่เคยประทับในพระราชวังเดิม เมื่อวันที่ 15 พฤษภาคม พ.ศ.2538

การบูรณะโบราณสถานในพระราชวังเดิมแบ่งเป็น 2 ขั้นตอนหลักๆ ได้แก่

- ขั้นตอนที่ 1 (Stabilization)

เป็นการบูรณะซ่อมแซมอาคารให้อยู่ในสภาพที่มั่นคงแข็งแรง และแก้ปัญหาทางกายภาพ (คือทำให้คืนสภาพเดิมก่อน) เช่นการแก้ไขในเรื่องของความชื้น แก้การชำรุดของหลังคา(หลังคารั่ว) และแก้การทรุดตัวของอาคารเป็นต้น

- ขั้นตอนที่ 2 (Rehabilitation)

เป็นการบูรณะตกแต่งทางด้านสถาปัตยกรรมให้อาคารอยู่ในสภาพสมบูรณ์ (ฟื้นสภาพและปรับปรุงรูปแบบทาง สถาปัตยกรรมเพื่อให้สอดคล้องกับรูปแบบของอาคารในอดีตและเหมาะสมกับการใช้งาน ในปัจจุบัน) เช่นการตกแต่งภายในการตกแต่งสี และลวดลายของประตูหน้าต่างเป็นต้น

ในขั้นตอนนี้ได้มีการสร้างรูปแบบใหม่ในหลายส่วนเนื่องจากตัวอาคารถูกเปลี่ยนแปลงไปมาก โดยใช้พื้นฐานของข้อมูลเดิมศิลปะร่วมสมัย แนวทางในการนำเสนอและการใช้ประโยชน์ในปัจจุบัน พร้อมกับทำให้กลมกลืนกับสภาพโดยรอบและถูกต้องตามข้อมูลทางประวัติศาสตร์

รูปแบบใหม่ที่นำเสนอต่อคณะกรรมการเพื่อหาข้อยุติมีข้อมูลสำหรับเปรียบเทียบ มีทางเลือกและมีเหตุผลในเชิงอนุรักษ์สถาปัตยกรรมมาประกอบโดยในการดำเนินการ ทั้งสองขั้นตอนนั้นได้มีการหาข้อมูลทางประวัติศาสตร์ เช่นจากจดหมายเหตุบันทึก และรูปถ่ายเก่ามีการตรวจหาสภาพ สภาพปัจจุบันทั้งขนาด (กว้าง x ยาว x สูง) โครงสร้างการตกแต่งการใช้สี การตรวจสอบสภาพของปัญหาโดยมีการบันทึก และถ่ายรูปเจาะปัญหา และภาพรวมของปัญหารวมทั้งการขุดค้นขุดเจาะชั้นดินมาประกอบ แล้วนำมาเป็นเครื่อง ช่วยตัดสินใจหาแนวทางรูปแบบ และข้อสรุปในการดำเนินการบูรณะซ่อมแซม

โบราณสถานในพระราชวังเดิมเท่าที่ยังปรากฏก่อนการบูรณะ ได้แก่

1. ท้องพระโรง
2. ตำหนักเก๋งสมเด็จพระปิ่นเกล้าเจ้าอยู่หัว
3. ตำหนักเก๋งคู่หลังเล็ก
4. ตำหนักเก๋งคู่หลังใหญ่
5. ศาลสมเด็จพระเจ้าตากสินมหาราช
6. ฐานของศาลศีรษะปลาวาฬ
7. ป้อมวิไชยประสิทธิ์

นอกจากนั้นยังรวมถึงประตูและกำแพงพระราชวังสำหรับการบูรณะในแต่ละอาคาร ได้ดำเนินการในส่วนหลักๆดังนี้ คือ หลังคา ฝ้าเพดาน ผนัง เสา พื้น บันได ประตู หน้าต่าง และปรับปรุงส่วนของระบบอาคาร