Реставрацией палехские мастера начали заниматься в конце XIX века. До революции ими реставрировались фрески в соборах многих городов. Среди них: фрески Успенского собора во Владимире, Софийского в Новгороде, соборов Новодевичьего монастыря и Рогожского кладбища в Москве, Ипатьевского монастыря в Костроме и др. Лучшими мастерами-реставраторами того периода были: И.В.Белоусов, Ф.И.Антонов, И.В.Маркичев, И.П.Вакуров, А.И.Ватагин, А.А.Дыдыкин, М.В.Дыдыкин, А.П.Парилов. После революции реставрировались фрески соборов Московского Кремля (Архангельского, Благовещенского, Успенского), Троицкого собора в Загорске. Лучшими реставраторами в этот период были: Н.М.Парилов, Г.М.Мельников, Г.К.Буреев, А.В.Борунов.
До революции от реставраторов требовалось закрепить штукатурку, очистить живопись от загрязнений и дописать выпавшие места. Причём дописывать выпавшие места нужно было обязательно, т.к. с точки зрения служителей церкви невозможно было оставить живописный убор церкви в незавершённом виде. Это не соответствовало понятиям о "благолепии" храма.
Современные требования к реставрации совершенно иные. Теперь, кроме укрепления штукатурного слоя, реставратор должен снять с фресок все поздние записи, т.е. открыть первоначальную живопись, а выпавшие места лишь затонировать соответствующими тонами.
Процесс реставрации состоит из нескольких этапов. Первый этап - это укрепление штукатурного слоя. Укрепление начинается с нижнего слоя и постепенно переходит в купола. В тех местах, где штукатурка отстала, сверлят отверстия и с помощью резиновой груши заливают в них раствор извести с казеином. Затем штукатурка прижимается листом фанеры (между штукатуркой и фанерой прокладывается слой ваты) и оставляется на 3-4 дня. После приклеивания штукатурки расчищаются трещины, которые шпаклюются известковой шпаклёвкой. Если встречаются большие выбоины, то сначала зачищается кирпичная кладка, в неё вбиваются лужёные гвозди, наносится арматура, гвозди переплетаются лужёной проволокой и уже после этого наносится штукатурка.
Второй этап - удаление загрязнений и копоти. Если живопись не записана и не подлежит расчистке от позднейших записей и наслоений, она промывается мыльной водой. Потом делается тонировка утраченных мест, строго в прежних пределах восстанавливается живопись яичной темперой с добавлением формалина (для дезинфекции и закрепления красок).
Если красочный слой осыпается, то вся поверхность несколько раз обрабатывается яичной эмульсией, которая образует защитную плёнку. Чтобы красочный слой укрепился, его прокатывают резиновым валиком через кальку. После полного высыхания процесс повторяется: промывка, тонировка и закрепление.
Для удаления поздних записей масляными красками применяются различные растворяющие составы (смывки). Обычно для этого применяют ацетон или компрессы из концентрированного нашатырного спирта. После размягчения масляная живопись осторожно снимается.скальпелем послойно. Если слой масляной шпаклёвки очень толстый и не размягчается смывкой, его разогревают при помощи электроплиток, смонтированных в виде щитков с ручкой. Когда первоначальная живопись раскрыта, производится восстановление штукатурки, восстановление мелких и крупных утрат, тонировка, дополнение и закрепление живописи.
К особому виду реставрации можно отнести работы по воссозданию Лакового кабинета Монплезира в Петродворце в 1955-1959 годах.
