Le Cabinet est divisé en cinq microstructures, dont chacune s’occupe d’une phase précise dans l’étude de l’objet d’art et de ses caractéristiques chimiques et physiques.
La microstructure Essais non destructeurs s’occupe de la première phase d’étude et comprend toutes les analyses qui ne prévoient pas d’échantillonnage (basées donc sur l’interaction radiation-matière). Elle effectue en particulier des analyses en fluorescence ultraviolette induite, des photographies en réflectographie infrarouge à plusieurs longueurs d’ondes, des photographies radiographiques et des analyses en fluorescence aux rayons X.
La microstructure Analyses inorganiques s’occupe de l’étude chimique et physique des matériaux de nature inorganique présents dans la pièce, comme les pigments naturels et de synthèse, les matrices d’une autre nature chimique, minéraux, roches et matériaux de dépôts. Y sont aussi réalisées des analyses stratigraphiques, en microscopie électronique à balayage, des analyses de traces de métaux et des analyses en chromatographie ionique. La microstructure doit aussi relever les caractéristiques chimiques et morphologiques du matériel concerné en en étudiant les altérations dues au temps.
L’étude chimique des matériaux de nature organique fait partie des compétences de la microstructure Analyses organiques. Des liants (protéiques, polysaccharidiques et ester) aux vernis naturels et de synthèse, des substances ajoutées originelles ou de restauration aux colorants naturels. Du point de vue chimique et moléculaire, la structure s’occupe aussi de relever les caractéristiques du matériel en en étudiant les altérations dues au temps ou à des réactions qui se sont produites entre matériaux différents.
La microstructure Analyses biologiques s’occupe en revanche de l’étude de tout ce qui concerne le monde « bio » des biens culturels, comme les patines et les attaques de type biologique présentes sur la pièce, l’analyse morphologique et l’identification biologique des agents infestants, l’analyse commerciale des fils et des tissus, pour en identifier la nature et l’état de conservation. Elle surveille aussi la mise en place de systèmes de monitorage environnemental afin d’évaluer la présence ou non d’agents infestants.
Enfin, la microstructure Recherche et développement intervient sur tous les éléments de recherche du Cabinet, en développant et en mettant au point de nouvelles méthodes d’analyse de la matière, par l’usage des technologies les plus novatrices. Parmi les activités de recherche, rappelons la synthèse et la caractérisation y afférant de matériaux naturels, le développement de nanotechnologies utiles à la formulation des différents produits de restauration, la création de banques de données de matériaux organiques de différentes natures.