Sachverhalt: A. X._ ist Eigentümer des auf dem Grundstück Kat.-Nr. 3/5602 in der Kernzone III in Winterthur-Gotzenwil gelegenen Wohnhauses Helmweg 2. Bei diesem Haus handelt es sich um den westlichen Teil der Häuserzeile eines im einstweiligen Inventar der Schutzobjekte enthaltenen ehemaligen Vielzweckbauernhauses, das insgesamt vier Hausteile (Helmweg 2 - 8) umfasst. Das Haus Helmweg 2 steht in unmittelbarer Nachbarschaft zu weiteren inventarisierten Schutzobjekten und einem formell geschützten Speicher (Volumenschutz). In der Kernzone gilt ein Ortsbildschutz mit kommunaler/regionaler Bedeutung. X._ liess Ende 2005 die Fassade seines Hauses ohne baurechtliche Bewilligung isolieren und die Fenster ersetzen. Nach seinen Angaben führte diese Sanierung zu einer Reduktion des durchschnittlichen Heizölverbrauchs für Heizung und Warmwasseraufbereitung von 1739 Litern auf 739 Liter pro Jahr. Am 29. Januar 2007 verweigerte der Bauausschuss der Stadt Winterthur die nachträgliche baurechtliche Bewilligung für die bereits ausgeführte Fassadensanierung. Zudem verfügte er, dass die ausgeführte Renovation innert sechs Monaten ab Rechtskraft des kommunalen Beschlusses wieder zu entfernen und im Einvernehmen mit der Abteilung Denkmalpflege der Stadt Winterthur durch eine kernzonentypische Ausführung zu ersetzen sei. Gegen diesen Entscheid gelangte X._ an die kantonale Baurekurskommission IV. Diese hiess den Rekurs am 22. November 2007 teilweise gut und hob den angefochtenen Beschluss insoweit auf, als er die Wiederherstellung des rechtmässigen Zustands der Fenster verlangte. Im Übrigen wies sie den Rekurs ab. Mit Beschwerde an das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich verlangte X._, der Wiederherstellungsbefehl und der Entscheid der Baurekurskommission seien aufzuheben, soweit damit die Beseitigung der Fassadenrenovation angeordnet werde. Das Verwaltungsgericht wies die Beschwerde mit Urteil vom 23. April 2008 ab. B. Mit Beschwerde an das Bundesgericht vom 13. Juni 2008 beantragt X._ insbesondere die Aufhebung des Beschlusses des kommunalen Bauausschusses sowie der Entscheide der kantonalen Rechtsmittelinstanzen, soweit diese den Wiederherstellungsbefehl schützten. Eventualiter sei der Beschwerdeführer zu verpflichten, nach Vorgaben der Baubehörde an der Aussenhaut seines Hausteils einen mineralischen Fassadenverputz anzubringen und das Giebelfeld mit einer Holzverschalung zu versehen, oder die Baubehörde sei anzuweisen, einen neuen Entscheid zu erlassen, der sich inhaltlich auf Auflagen betreffend das optische Erscheinungsbild der Aussenisolation beschränke. Subeventualiter sei auf die Entfernung der ausgeführten Renovation und den Ersatz durch eine kernzonentypische Ausführung nach den Vorstellungen der Abteilung Denkmalpflege zu verzichten. Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung der Eigentumsgarantie (Art. 26 BV) und des Verhältnismässigkeitsprinzips (Art. 36 Abs. 3 BV). C. Das Verwaltungsgericht und die Stadt Winterthur beantragen Abweisung der Beschwerde. Der Beschwerdeführer hält in einer Replik an seinen Anträgen fest. D. Mit Verfügung vom 4. Juli 2008 hat der Präsident der I. öffentlich-rechtlichen Abteilung einem Gesuch des Beschwerdeführers um aufschiebende Wirkung entsprochen. E. Eine Delegation des Bundesgerichts führte am 12. Dezember 2008 einen Augenschein durch. Anlässlich dieses Augenscheins hat der Beschwerdeführer ein neues Sanierungskonzept für die Fassadenrenovation vorgelegt und dieses an Ort und Stelle mit Mustern erläutert. Die Stadt Winterthur hat sich dazu am Augenschein geäussert und nach dem Augenschein eine schriftliche Stellungnahme der kommunalen Denkmalpflege eingereicht. Diese wurde den Verfahrensbeteiligten zur Kenntnisnahme zugestellt.