Die Sanierungs- und Restaurierungsarbeiten mussten aufgrund des extrem schlechten baulichen Zustand der Gebäude schnell beginnen, um einen Total-Verlust des Ensemble zu verhindern. Daher orientierten sich die Sanierungsschritte am Zustand der einzelnen Gebäudeteile. Die staatlichen Denkmalpfleger unterstützten die schnelle Aufnahme der Arbeiten und begleiteten die einzelnen Sanierungsschritte kontinuierlich.
Der Verein Wassermühle hat zu Beginn der Arbeiten einen Statiker, mehrere Architekten und einen Schädlingsexperten mit der Begutachtung der Gebäude beauftragt. Eine Restauratorin im Handwerk begleitet die Sanierungsmaßnahmen von Beginn an. Sie leitet die ehrenamtlichen Helfer an, damit die Arbeiten fachgerecht ausgeführt werden. Bei einigen Arbeiten half ein Diplom-Restaurator, der mit Freiwilligen der Jugendbauhütte der Deutschen Stiftung Denkmalschutz an der Mühle arbeitete.

Das Projekt Wassermühle wurde vor dem Hintergrund begonnen, dass auch im Landkreis Harburg immer mehr Identität stiftende Gebäude abgerissen werden. Die Mühle war über Jahrhunderte ein zentraler Ort in der Region und sollte dies wieder werden

Die technischen Probleme erschienen groß vor Beginn der Sanierungsarbeiten. Durch die hervorragende Zusammenarbeit von Denkmalpflege, Handwerkern, Restauratorin und ehrenamtlichen Mühlenrettern wurden alle Probleme schnell gelöst. Ein Beispiel: Bevor das Haupthaus und die Mühle sicher eingerüstet werden konnten, um die Dächer zu sanieren, mussten zunächst die ehemalige Jauchegrube saniert werden und umgestürzte Bäume beseitigt werden.

Bei der Sanierung wurde sehr behutsam vorgegangen, da möglichst viel von der Originalsubstanz der Gebäude erhalten bleiben sollte. Notwendige Ergänzungen oder Reparaturen wurden in den alten Handwerkstechniken ausgeführt (z.B. traditionelle Holzverbindungen, Lehmputz, Streichen mit Kaseinfarben oder Leinöl,
Die Restaurierungen wurden in alter Handwerkstechnik ausgeführt. Viele erfahrene Handwerker und Handwerksmeister, darunter Maurer, Maler, Zimmerer, Tischler, Gärtner, Dachdecker, Steinsetzter, Elektriker, Schlosser, Klempner, Ofensetzer, Schornsteinfeger und Heizungsbauer sowie zahlreiche Landwirte arbeiten seit Jahren ehrenamtlich an der Wassermühle. Hinzu kommen mehrere Ingenieure und Architekten. Unverzichtbar bei der Wiederherstellung und der Instandsetzung der Mühlen- und der Sägerei-Technik waren die Kenntnisse des erfahrenen Müllermeisters und eines erfahrenen Schlossermeisters. Im Jahr 2016 wurden an der Wassermühle Karoxbostel 15 “freiwillige Müller” ausgebildet, die eine Prüfung vor einer Kommission der Mühlenvereinigung Niedersachsen-Bremen ablegen mussten. Das erworbene Zertifikat ist Voraussetzung für den fachgerechten Betrieb und die Wartung der historischen Maschinen und der gesamten Anlage.

Bei der Sanierung wurde darauf geachtet, weitestgehend historische Baumaterialien wie Lehm, Kalk, Holz oder Reichsformatsteine zu verwenden. Eine Ausnahme wurde bei den Materialien für den neuen Sanitärtrakt gemacht.