Depuis le début des années 1990, la ville de Nantes a mis en œuvre un programme de restauration et d'aménagement pour mettre en valeur ce site, emblématique de l'Histoire de Nantes et de la Bretagne. Après quinze années d'importants travaux de restauration et trois années de fermeture au public, le château a rouvert le vendredi 9 février 2007.
La création d'un circuit complet des remparts, la mise en place d'un premier accès par les douves et d'un second par une passerelle, l'arrangement d'un jardin dans les douves, la mise en lumière nocturne participent à la renaissance du site. Les 500 mètres de chemin de ronde sur les remparts fortifiés offrent des points de vue sur les bâtiments, la cour, les douves, mais aussi sur la ville : la tour LU, l'emplacement du bras de la Loire qui baignait le château avant les comblements des années 1930, la cathédrale Saint-Pierre-et-Saint-Paul et le quartier du Bouffay.
L'édifice restauré accueille aujourd'hui le nouveau musée d'histoire de Nantes, installé dans 32 salles. Jalonné de dispositifs multimédias, le Musée présente plus de 850 objets de collection. En proposant des clefs de lecture de la ville qui mettent en perspective passé, présent et avenir, le château et son musée s'inscrivent dans une vision actuelle du patrimoine. Un portrait de la ville en sept grandes séquences est présenté au public :
Le parcours s'achève par une vision de la ville, création multimédia d'un artiste contemporain. Pierrick Sorin est le premier artiste invité.
Le 2 juin 2000, lors de la vente aux enchères des archives de la chanteuse Barbara à Cheverny, la partition manuscrite de la chanson Nantes est préemptée par le ministère de la Culture pour le compte de la ville de Nantes. Ce document est maintenant exposé dans le château des ducs de Bretagne.
L'éclairage nocturne valorise le site dans sa complexité architecturale au sein du tissu urbain. À l'entrée principale par le pont dormant, une lumière chaude, orangée, jaillit de l'intérieur au niveau des courtines. Dans le jardin des douves, l'éclairage de la contre-escarpe octroie une lumière plus sombre. Sur la façade sud, une lumière mouvante glisse sur l'imposante muraille…
Cette mise en lumière a valu à ses concepteurs, Sylvie Sieg et Pierre Nègre de l'Atelier Lumière, le Trophée européen Lumiville 2007, prix de la conception lumière.