В 2004 году музей-заповедник был передан в ведение города, а в сентябре 2005 года в Царицыне развернулись масштабные работы по восстановлению Большого дворца и реконструкции дворцового ансамбля и парка. Проект реконструкции был разработан в архитектурной мастерской № 13 «Моспроект-2» (авторы проекта О. Е. Галаничева, Н. Г. Мухин) под руководством мэра Москвы Ю. М. Лужкова и руководителя «Моспроекта-2» М. М. Посохина. Однако реставрация вызвала острую полемику, которая длилась на всем протяжении реализации замысла. Критики проекта, среди которых были видные искусствоведы, реставраторы и архитекторы, отмечали, что новое строительство привело к искажению исторического облика Царицына.
Несмотря на критику, проект восстановления Большого Царицынского дворца в 2005–2007 годах осуществился полностью. И 2 сентября 2007 года, в День города Москвы, состоялось официальное открытие реконструированного дворцового комплекса, в том числе восстановленного Большого Царицынского дворца. Восстановленный дворцово-парковый ансамбль вызвал неподдельный интерес у москвичей; парк, сразу же ставший популярным местом прогулок, по просьбам горожан с ноября 2007 года работает круглосуточно. В 2008 году проекту реставрации и реконструкции царицынского ансамбля была присуждена Международная премия имени Бернхарда Реммерса «За выдающиеся заслуги в реставрации и сохранении памятников архитектуры».При этом специалисты, критиковавшие «фантазийную реставрацию» Царицына, с сожалением отмечали, что данный подход лежит в русле современных мировых тенденций в реставрационном деле.