Jednou z hlavních úloh muzea je schraňovat a současně uchovávat v co nejlepším stavu veškeré sbírky. Komplexní péči o sbírkové předměty zajišťuje odbor hlavního konzervátora sbírek. Odboru jsou podřízené organizační složky – odd. restaurátorských dílen, odd. restaurování papíru a odd. preventivní konzervace. Základem činnosti odboru je průběžná kontrola a udržování stálých expozic, a to jak v hlavní budově v Praze na Letné, tak v nových prostorách Centra stavitelského dědictví v Plasích. Mimo fyzickou péči o sbírkové předměty jsou součástí práce odboru i účasti na kontrolách formou pravidelných inventarizací společně s odborem Centrální evidence sbírek a příslušným kurátorem. Zde restaurátor určí fyzický stav konkrétního sbírkového předmětu a v případě hrozícího nebezpečí poničení degradací, či špatným uložením zajistí nápravu. Součinnost všech těchto oddělení napomáhá komplexně pečovat o celou škálu sbírkových předmětů, včetně kvalitního uložení.

Tento odbor vznikl postupným rozvíjením všestranné péče o sbírky. Restaurátorské dílny se v minulých letech rozrostly a rozčlenily podle náplně činností. V roce 2004 se oddělilo specializované oddělení Vysoušení zamražených archiválií, které vzniklo na základě potřeby napravit rozsáhlé škody napáchané povodní v roce 2002 na archivním papírovém materiálu NTM v pražské Invalidovně. V návaznosti na vysoušení se logicky vybudoval atelier restaurování papíru.

Výrazným přínosem pro tento odbor je vznik odd. preventivní konzervace, jehož součástí je i plně vybavená analytická laboratoř, kde se provádí řada analýz (materiálové složení FTIR, optická mikroskopie), které pomáhají při určování jednotlivých technik, pojiv či pigmentů, apod., což je důležité nejen pro další restaurování, ale i pro preventivní konzervaci.

Doplňkem hlavního poslání odboru je poskytování prostoru pro studentské praxe, při nichž studenti odborných restaurátorských a konzervátorských škol mohou získávat zkušenosti na všech restaurátorských pracovištích NTM.