Die Bauforschung ergab, dass das Engels-Haus seit seiner Errichtung im Jahr 1775 bis zu seiner Eintragung in die Denkmalliste 1992 mehrere zum Teil tiefgreifende Umbauphasen erlebt hat. Deshalb musste in enger Abstimmung mit der Unteren Denkmalbehörde zunächst einmal festgelegt werden, was überhaupt gezeigt werden soll.
Da es sich beim Engels-Haus um ein typisches Beispiel für ein großbürgerliches Fachwerkwohnhaus des bergischen Spätbarocks handelt, zielte die Grundausrichtung der Sanierung und Restaurierung insbesondere auf den Zustand nach dem ersten großen Umbau um 1800. Die spätbarocke Lebensweise soll aufgezeigt werden. Substanz, die unwiederbringlich verloren ist, wird üblicherweise nicht historisierend nachgebaut: So wurden zum Beispiel die bereits eingebrachten Stahlstützen nicht wieder entfernt und durch Hölzer ersetzt und auch nicht alle Ausfachungen wieder mit Lehm verfüllt. (Unter Denkmalschutz steht die Bausubstanz, die bei der Eintragung in die Denkmalliste im Jahr 1992 vorhanden war.)
Zwischen Jahresende 2018 und Sommer 2019 wurden Dach und Fassaden von der Verschieferung aus den 1960er-Jahren befreit, das Fachwerk sowie die Unterkonstruktion des Daches geprüft und saniert sowie Dach und Fassaden in der ursprünglichen „altdeutschen Deckung“ neu verschiefert. Gemeinsam mit der Unteren Denkmalbehörde wurde entschieden, eine in den 1960er-Jahren verschlossene sechste Dachgaube im Mansardgeschoss und zwei Fenster im Erdgeschoss und im ersten Obergeschoss zu rekonstruieren, um die ursprüngliche Symmetrie der westlichen Fassade wiederherzustellen.
Das Parkett wurde Stück für Stück nummeriert, aufgenommen, aufbereitet und wieder eingesetzt. Die Vertikalschiebefenster aus der Errichtungszeit des Gebäudes und die Fensterläden wurden restauriert. Historische Holzbauteile (Türblätter und -zargen, Fußleisten und Treppe) wurden von alten Schichten befreit, neu aufgearbeitet, an einigen Stellen ergänzt und schließlich neu beschichtet. Stuck und Putz wurden bis auf die historischen Kalkfeinputzschichten abgeschabt und abgebeizt und ebenfalls in kleinen Teilen ergänzt, damit der Stuck wieder plastischer hervortritt. Der Natursteinsockel und das Gewölbe des Gebäudes wurden gereinigt und mit einer Schutzschicht versehen.
Für die oberste Schicht der Wände, Decken und Holzeinbauten wurde ein Farbkonzept erarbeitet, das sich unter anderem an den Untersuchungsbefunden orientiert. Für das Kaminzimmer im Erdgeschoss ergab sich eine rote Farbgebung, im Tapetenzimmer im ersten Obergeschoss bleibt es bei den Grüntönen. Die anderen Räume präsentieren sich in neutraler, heller Farbe, um dem Ausstellungskonzept gerecht zu werden. Auch die Treppe wurde mit einer hellen Farbe versehen. Verwendet wurden Farben auf Leinölbasis.
Selbst als die Sanierungs- und Restaurierungsarbeiten schon in vollem Gange waren, hielt das Engels-Haus noch positive Überraschungen parat: So wurde zum Beispiel während der großflächigen Abtragung von Schichten im Musikzimmer im Erdgeschoss eine dort nicht vermutete wertvolle Tapete freigelegt, die – mit einer Schutzschicht versehen und zu einem kleinen Teil aufgearbeitet – später der Öffentlichkeit gezeigt wird.
Alle Maßnahmen wurden in Abstimmung mit der Denkmalbehörde durchgeführt. Ausgeführt wurden die Sanierungs- und Restaurierungsarbeiten durch Betriebe, die noch die entsprechenden traditionellen Handwerkstechniken beherrschen (Restaurator*innen im Handwerk). Begleitet wurde die Sanierung und Restaurierung von einer umfassenden Kartierung und Dokumentation.
Sanierung und Restaurierung kosteten rund 4 Millionen Euro.