Le projet de reconvertir la corderie Vallois en musée émerge avant même la fermeture de l'usine. Il résulte de l'investissement de plusieurs acteurs : l'association pour le Musée de l'Homme et de l'Industrie qui va assurer la sauvegarde du site après l'arrêt de l'activité et interpeller les pouvoirs publics pour obtenir leur soutien, l'Etat qui par l'intermédiaire de ces instances culturelles protège au titre des Monuments Historiques bâtiments (1975) et machines (1984) et apporte son concours scientifique et financier à la reconversion de l'usine en musée, la Région qui subventionne le rachat des machines et la mise hors d'eau du bâtiment, finance en 1888 l'étude de programmation architecturale, lance en 1989 le concours d'architectes et assure la maîtrise d'ouvrage de l'opération et enfin le Département qui en 1986 accepte la prise en charge des frais de fonctionnement du futur musée et confie à la Direction des Musées départementaux le suivi scientifique de l'opération muséographique et architecturale en lien avec la Direction des Musées de France afin que l'établissement deviennent un musée labélisé.

Le programme architectural et muséographique réalisé en 1988 pour définir les principes de reconversion de l'ancienne usine en musée souligne les centres d'intérêt majeurs que présente la corderie Vallois : un site et un bâtiment industriel remarquables témoignant du passage au début du XIXe siècle d'une production artisanale à un système industriel, une installation hydraulique complète et un ensemble de machines textiles en état de marche permettant de comprendre in situ des étapes importantes de la production textile. L'objectif principal du musée va donc consister à préserver dans sa globalité cet ensemble exceptionnel, en restituant le plus fidèlement possible l'état de l'usine au moment de sa cessation d'activité. A cette priorité se greffent d'autres objectifs : la création d'espaces contemporains nécessaires au fonctionnement du futur musée. En avril 1990, l'architecte nantais Jean-Marie Lépinay, associé au cabinet Panoptes muséographe, remporte le concours de maîtrise d'oeuvre : son projet s'appuie sur une intervention architecturale minimale afin de préserver l'authenticité du site et néanmoins très claire afin de distinguer sans ambigüité les bâtiments anciens et les adjonctions contemporaines requises par la transformation du site en musée.

Le chantier de reconversion, lancé à l'automne 1991, commence par la réfection de l'enveloppe de l'usine : les façades et toiture sont restaurées à l'identique sous le contrôle de l'architecte des bâtiments de France. La première tranche de travaux prévoit également la réalisation de deux constructions neuves recevant les espaces d'accueil-bureaux-conservation et le logement du gardien. Le réaménagement des ateliers installés au rez-de-chaussée et au premier étage de l'usine en musée in situ est réalisé dans la foulée. Les deux niveaux supérieurs sont transformés en salles d'exposition temporaire. Afin de préserver l'authenticité du lieu, le réaménagement des espaces intérieurs est minimal. L'ossature bois de l'usine est renforcée au droit des cheminements pour visiteurs. Les circulations créées à travers les ensembles de machines sont définies par un plancher surélevé, le praticable. Ce principe permet de différencier de manière nette les zones accessibles et les espaces de fabrication. Le projet muséographique prévoit la conservation des ateliers du rez-de-chaussée et du 1er étage in situ et la restitution méticuleuse de toutes machines avec leur système d'entraînement à leur emplacement d'origine et leur mise en fonctionnement lors des démonstrations pédagogiques. Outre les machines, tous les instruments, accessoires utiles ou anecdotiques, toutes les caisses de matières premières et tous les produits manufacturés sont à leur place exacte, permettant de comprendre les chaînes de travail de cette ancienne corderie mécanique tout en restituant les conditions de travail des ouvrières. Le Musée industriel de la corderie Vallois est inauguré le 11 février 1994.