El Gabinete está dividido en cinco microestructuras, cada una de las cuales trabaja en una fase específica del estudio de la obra de arte y de su determinada caracterización químico-física.
La microestructura Pruebas no destructivas se ocupa de la primera fase de estudio y comprende todos los análisis que no prevén un muestreo (basados por tanto en la interacción radiación-materia). Lleva a cabo, en particular, análisis en fluorescencia ultravioleta inducida, tomas fotográficas en reflectografía infrarroja a distintas longitudes de onda, tomas radiográficas y análisis en fluorescencia con rayos X.
Compete a la microestructura Análisis inorgánicos el estudio químico-físico de los materiales de naturaleza inorgánica presentes en la obra de arte, como pigmentos naturales y de síntesis, matrices de diferente naturaleza química, minerales, rocas y material de depósito. Se llevan a cabo, en particular, análisis estratigráficos, en microscopía electrónica de barrido, análisis de metales presentes en mínima cantidad y análisis en cromatografía iónica. La microestructura, por otra parte, tiene la tarea de caracterizar el material de estudio desde el punto de vista químico y morfológico, examinando las alteraciones debidas al paso del tiempo.
El estudio químico de los materiales de naturaleza orgánica es competencia de la microestructura Análisis orgánicos. Tanto los aglutinantes (proteicos, polisacáridos y de ésteres) como los barnices naturales y sintéticos, sustancias superpuestas originales o de restauración con colorantes naturales. Desde el punto de vista químico y molecular, la estructura se ocupa también de caracterizar el material presente estudiando las alteraciones debidas al paso del tiempo o a reacciones que hayan tenido lugar entre materiales diferentes.
La microestructura Análisis biológicos, en cambio, se dedica al estudio de todo lo que concierne al mundo “bio” de los bienes culturales, como las pátinas y los ataques de naturaleza biológica presentes en la obra, el análisis morfológico y la identificación biológica de los agentes de una infestación, el análisis científico de hilados y tejidos, para identificar su naturaleza y estado de conservación. Controla y coordina, asimismo, la puesta a punto de sistemas de monitorización medioambiental con el fin de valorar la presencia de agentes de una infestación.
Por último, la microestructura Investigación y Desarrollo interviene en todas las líneas de investigación del Gabinete, desarrollando y elaborando nuevos métodos de análisis de la materia, usando las tecnologías más innovadoras. Entre las actividades de investigación recordamos la síntesis y relativa caracterización de materiales naturales, el desarrollo de nanotecnologías destinadas a la formulación de diversos productos de restauración y la creación de bases de datos de materiales orgánicos de diferente naturaleza.