Die Alte Nationalgalerie beherbergt die europaweit größte Sammlung an Gemälden und Skulpturen des 19. Jahrhunderts. Materialtechnisch umfasst die Sammlung Gemälde auf textilen und starren Bildträgern wie Leinwand, Baumwolle, Rupfen, Massivholz, Sperrholz und Pappe. Hinzu kommen die historischen Zierrahmen mit verschiedenen Metall- oder Farbfassungen. Die Sammlung der Skulpturen umfasst die Materialgruppen Stein, Bronze, Gips, Terrakotta und Wachs.
Eine Hauptaufgabe der Gemälde- und Skulpturenrestaurierung besteht in der Sammlungspflege. Die ausgestellten Werke werden regelmäßig, die in den Depots verwahrten Objekte nach Bedarf auf ihren Erhaltungszustand überprüft. Im Rahmen der präventiven Konservierung werden die konservatorischen Rahmenbedingungen wie Klima, Staubbelastung, Verpackung oder Handling kontinuierlich kontrolliert. Ein weiteres Aufgabenfeld stellt die wissenschaftliche kunsttechnologische Erforschung der Werke und ihres Herstellungsprozesses dar. Hier gibt es eine enge Verzahnung mit den Nachbardisziplinen Geschichte, Kunstgeschichte, Archiv- und Naturwissenschaften.
Ein wichtiges Arbeitsgebiet ist darüber hinaus die Durchführung von Konservierungs- und Restaurierungsmaßnahmen. Hierfür werden auf der Basis konservierungs- und restaurierungswissenschaftlicher Voruntersuchungen Konzepte erstellt und entsprechende Maßnahmen nach modernsten konservatorischen Gesichtspunkten durchgeführt. Umfangreiche Projekte zu Kunsttechnologie, Konservierung und Restaurierung von Einzelwerken oder Konvoluten wie beispielsweise das Caspar David Friedrich-Projekt mit der Untersuchung und Restaurierung der romantischen Hauptwerke „Mönch am Meer“ und „Abtei im Eichwald“ führen nicht nur zur Bereicherung der Sammlung, sondern auch zu einem maltechnischen und konservierungswissenschaftlichen Erkenntnisgewinn.
Die Restaurierungsabteilung übernimmt darüber hinaus vielfältige Aufgaben im Rahmen des Leihverkehrs. Dies umfasst Tätigkeiten wie die Beurteilung der Transportfähigkeit angefragter Objekte, gegebenenfalls konservatorische Maßnahmen und vorbereitende Arbeitsschritte wie Neumontagen, Verglasungen, objektgerechte Verpackungen und Protokollerstellung. Wechselausstellungen, die im Museum selbst stattfinden sowie externe Ausstellungskooperationen werden ebenfalls restauratorisch begleitet.
Zahlreiche Forschungs-, Restaurierungs- und Diplom-/Masterprojekte werden in Zusammenarbeit mit den Hochschulen betreut und durchgeführt. Die Restaurierungsabteilung bietet studienvorbereitende Praktikumsstellen sowie Restaurierungsvolontariate nach dem Studium an.
Die Restaurierungsabteilung der Alten Nationalgalerie besteht aus zwei Gemälderestauratorinnen und einer Skulpturenrestauratorin.