El Santo Rostro ha sido objeto de investigaciones históricas por parte de muchos estudiosos - hay que recordar a A. Calcagnino (principios del siglo XVII) -; pero el primer estudio verdaderamente "científico" de la Reliquia lo ha llevado a cabo recientemente la Profesora Colette Dufour (de la Universidad de Génova) con la colaboración técnica del Profesor Pico Cellini (Universidad de Roma), que ha "desmontado" el "Objeto". De esta manera y con la ayuda de radiografía y tomografías, se han podido observar y estudiar las "piezas" que lo componen.

   En primer lugar, se ha constatado que la Imagen es témpera "al huevo" - como era habitual en los "retratos" de la época imperial romana y, todavía antes, en la época egipcia -. La imagen está levemente retocada en diferentes zonas, como lo demuestra la tomografía. Debajo de la témpera se encuentra una tela de lino, de la que se ven claramente los bordes: podría tratarse del lino del que habla la tradición; según ésta Jesús imprimió la figura de su Rostro en el lino sobre el que inútilmente el pintor Anania, que había sido enviado por el rey Habgar de Edesa, trataba de retratar a Jesús. Pero, existe también otra tradición, según la cual el pintor Anania habría realizado realmente el retrato de Jesús que podemos admirar hoy.

   El lino está pegado sobre una tablita de cedro, muy antigua, acoplada a su vez (cuando el Santo Rostro se encontraba en Constantinopla) en una base más amplia de madera a la que se añadió la preciosa decoración de filigrana de que hablaremos más adelante. La base más pequeña, original, conserva las huellas de una decoración anterior alrededor del Rostro de Cristo consistente en una serie de pequeñas perlas. Quedan todavía los agujeros en que las perlas estaban colocadas; prueba evidente, junto a otras, de la antigüedad del Objeto.

   En Constantinopla se realizó - como ya se ha dicho - la bellísima decoración de filigrana de plata y oro, con una serie de diez artesones repujados, en que se representa el origen del Santo Rostro, algunos episodios sobresalientes de su historia hasta el traslado a Constantinopla. Se trata de una verdadera obra de arte de orfebrería bizantina, que distingue nuestra Reliquia de las demás reproducciones del Santo Rostro de Edesa.

   Otro elemento valiosísimo que se ha descubierto durante el estudio del que hemos hablado antes, lo constituyen los fragmentos de tejidos antiguos sasánidos (persas) y fatamíes (árabes) que se han encontrado adheridos en la parte posterior de la base de madera: estos tejidos son anteriores al año 1000. Se trata de "Brandomi", es decir "reliquias por contacto": estos tejidos habían envuelto probablemente la Reliquia. Sobre los mismos se encoló, en el siglo XV, otra tela de gran valor (ligure) tejida con hilo de plata y en la que vemos representada una granada.

   En Génova, se dotó al Santo Rostro con un valioso relicario de plata (principios del siglo XVII) en donde se guarda la Reliquia. A principios del siglo XVIII el relicario de plata se enriqueció con una serie de piedras preciosas, engastadas en una base de plata y oro, que sirve de marco al relicario. Por último, la iglesia misma de San Bartolomé se ha transformado en cierto modo a lo largo de los siglos en función del Santo Rostro.