Les travaux concernaient la structure ternie avec le temps, l'éclairage, l'étanchéité mais aussi la remise aux normes pour le confort et la sécurité. Ce chantier exceptionnel a respecté au maximum ce seul vestige majeur de l'Expo 58, tout en l'adaptant aux besoins du public. 

Les parois extérieures ont été entièrement retirées et 1000 plaques triangulaires des anciennes sphères ont été vendues pour soutenir le financement du projet. L’aluminium originel a été remplacé par de l’inox, plus résistant à la corrosion et plus isolant au bruit. Les nouveaux panneaux été assemblés en respectant scrupuleusement le schéma original : chaque panneau triangulaire, d’une surface de 16m² et d’un poids de 500 kg se compose de 15 petits triangles avec faux-joints. La masse totale du bâtiment a été augmentée de 100 tonnes, 2.500 tonnes aujourd'huin, contre 2.400 en 1958. Seule modification contemporaine : le plafond de verre de l’ascenseur pour mieux se rendre compte de sa vitesse et de découvrir les entrailles d’acier de l'édifice.

L’éclairage intérieur et extérieur ont été remplacés pour permettre des jeux de lumière et être économe en énergie. L’intérieur des sphères a été totalement repensé en fonction du projet d’exploitation de l'Atomium. Un pavillon hébergeant la billetterie, des sanitaires et un espace de petite restauration a été édifié aux pieds de l’Atomium pour l'accueil des visiteurs.

Le chantier a mobilisé des compétences rares avec notamment des experts de "travail en hauteur", qui pouvaient évoluer sur les sphères dans la chaleur estivale ou la froidure hivernale.

Le 18 février 2006, l’Atomium restaurée est inaugurée.