Les scientifiques ont besoin de méthodes, rigoureuses dans l'observation des faits, des objets et des phénomènes, objectives dans leur analyse : des méthodes qui aident à répondre aux interrogations en minimisant les risques d'interprétation hasardeuse et de déformation. Ils formulent des théories visant à donner une explication de ce qui est observé. Pour travailler et extraire les indices des objets, les chercheurs étudient directement la nature sur le terrain ou approfondissent leur travail en laboratoire. Là, les phénomènes observables dans un environnement naturel sont reconstitués le plus fidèlement possible avant étude. Il est nécessaire de construire un modèle qui simplifie le processus d'origine, généralement trop complexe pour être recréé dans son intégralité.

L'oeil sait observer, comparer, reconnaître et faire des liens entre les objets. Mais pour dépasser le stade du visible, il a dû se faire assister par des outils plus performants. La loupe utilisée au Moyen Âge a été détrônée, au XVI^e siècle, par le microscope, devenu électronique au XX^e siècle, avant que, dans la seconde moitié du XX^e, ne soit mise au point l'imagerie par résonance magnétique (IRM).
Parallèlement à ces techniques d'imagerie assistée, la chimie permet de percer les mystères des objets au niveau atomique et moléculaire. Elle s'applique aux objets inanimés (en minéralogie, en géochimie) et aux organismes vivants. Dans les premiers temps du Jardin royal, les médecins et les chimistes distillaient les végétaux pour en extraire les principes actifs. C'est au début du XIX^e siècle que les chimistes ont commencé efficacement à isoler et caractériser les substances naturelles, utilisant les concepts et les méthodes développés par Antoine de Lavoisier et Louis Joseph Gay-Lussac. Au Muséum, Michel Eugène Chevreul analysera de très nombreuses substances d'origine végétale ou animale : le cholestérol, les acides gras...

Les procédés de microbiologie ont aussi transformé les méthodes de recherche. La spectrométrie de masse, qui détermine la masse moléculaire, s'est appliquée, tout au long du XX^e siècle, d'abord aux molécules volatiles, puis aux molécules organiques, enfin aux macromolécules biologiques, les protéines. Ce siècle a vu l'avènement de technologies qui tirent des informations d'objets de plus en plus petits, voire de simples traces comme la résonance magnétique nucléaire (RMN) et l'électrophorèse, qui analyse l'ADN. Toutes deux sont opérationnelles depuis les années 1960. L'amplification en chaîne par polymérase (PCR, Polymerase Chain Reaction), mise au point en 1980, permet d'effectuer le séquençage de l'ADN en amplifiant de simples brins d'ADN extraits de fossiles.

Enfin, à partir des années 1970, l'informatique a entraîné une autre révolution. En pénétrant dans les laboratoires, elle a donné un coup d'accélérateur au monde de la recherche. La puissance de calcul de l'ordinateur est notamment mise à profit pour la modélisation ainsi qu'en systématique; ses capacités de stockage et d'analyse permettent d'élaborer de puissantes bases de données scientifiques. Toutes les disciplines utilisent aujourd'hui les technologies numériques. Ainsi, les océanographes peuvent, en traitant et analysant des paramètres très complexes, obtenir des simulations à court terme (des déferlements de vagues) ou à long terme (des évolutions climatiques). Désormais, grâce à ces techniques de pointe, les chercheurs décuplent leurs possibilités et gagnent un temps précieux.