El ICCROM ha participado activamente en actividades de investigación desde su creación, tanto promoviendo o coordinando investigaciones en diferentes campos como, más directamente, haciendo participar a su propio personal o a especialistas externos de instituciones asociadas. En los primeros decenios posteriores a su fundación, estas iniciativas se emprendieron generalmente con la colaboración de los comités de conservación especializados del Consejo Internacional de Museos (ICOM), el Instituto Internacional para la Conservación de Obras Históricas y Artísticas (IIC), el Consejo Internacional de Monumentos y Sitios (ICOMOS), o con institutos nacionales de conservación como el Instituto Superior para la Conservación y la Restauración (ISCR) de Italia y el Instituto Real del Patrimonio Cultural (KIK-IRPA) de Bélgica. Los principales temas de estudio fueron el control de la humedad en los edificios históricos (especialmente durante las campañas de salvamento en Florencia y Venecia), la conservación de la piedra, la conservación de las estructuras en ladrillos de adobe en Iraq, las pinturas murales y la escultura policromada. Otro importante proyecto de investigación contribuyó a la campaña de la UNESCO en favor de los monumentos nubios. Además, el ICCROM preparó las Directrices para una política nacional de laboratorios de conservación (1981), en las que se esbozaban los tipos de laboratorios que podían ser útiles para las diferentes finalidades de la conservación, definiendo el campo de aplicación del laboratorio, el personal, los locales y el equipo necesarios. Las investigaciones tenían por objeto mejorar los métodos de conservación de los materiales de bienes amenazados y se centraban también en el análisis de sales, revoques, pero también morteros o cementos y lechadas para la estabilización de antiguas estructuras de mampostería y piedra.
El ICCROM estableció su propio laboratorio a finales de 1960, instalando equipos, en particular con fines de capacitación, y reuniendo materiales para experimentos didácticos. El objetivo del laboratorio era apoyar la documentación, promover la investigación y ofrecer asesoramiento y recomendaciones, especialmente en relación con la capacitación y los servicios de emergencia. En el Archivo del ICCROM se conservan materiales sumamente valiosos relacionados con los análisis científicos y la labor de investigación llevada a cabo por el Laboratorio del ICCROM, incluidas las muestras de bienes patrimoniales donadas al ICCROM por los afamados restauradores Paolo Mora y Laura Sbordoni Mora, así como por el químico Giorgio Torraca (cuyo archivo fue declarado de "notable interés cultural" por el Gobierno italiano en 2014) y el restaurador Rodolfo Luján-Lunsford.