Les méthodes d’observation sont bouleversées à partir de la seconde moitié du 17ème siècle par l’invention du microscope et l’Optique de Newton (1704) dont les réflexions sur la diffraction du spectre lumineux (la décomposition d’une lumière complexe par un prisme), et plus généralement sur les liens entre couleur et lumière, renouvellent les théories des Anciens concernant la couleur : là où Aristote voyait la couleur comme un « accident » de la lumière (Roque, p. 5), Newton prouve par son experimentum crucis que c’est au contraire la lumière qui est composée des sept couleurs du spectre. Newton propose aussi une vision circulaire des relations « harmonieuses » entre les couleurs du prisme, ouvrant ainsi la voie à une théorisation de leur complémentarité. Suite à ces découvertes, les révolutions scientifiques se multiplient, permettant l’avènement de la chimie moderne à la fin du 18ème siècle, grâce notamment aux recherches de Lavoisier (1743-1794) qui rendent caduque les anciennes croyances alchimiques et la théorie médiévale des quatre éléments. Ces travaux posent les jalons de l’approche scientifique de l’œuvre d’art dans sa matérialité.

Mais la période charnière en matière d’investigation scientifique de l’art reste le 19ème siècle, caractérisé par une instrumentalisation poussée de la science au service d’autres domaines comme l’industrie, textile notamment. Ainsi, le chimiste Michel-Eugène Chevreul (1786-1889) nommé directeur des teintures à la manufacture royale des Gobelins en 1824, s’interroge sur les modalités de perception des couleurs. La couleur n’est plus alors considérée comme une donnée variable, réfractaire à toute analyse scientifique du fait de sa nature subjective de sensation. Chevreul réussit en effet dès 1839 à dégager des lois chromatiques dans son ouvrage intitulé De la loi du contraste simultané des couleurs et de l'assortiment des objets coloriés considéré d'après cette loi dans ses rapports avec la peinture, qui jettent les bases d’une véritable science de la couleur. Quelques années plus tard, un autre chimiste, Marcelin Berthelot (1827-1907), en collaboration avec les frères Morgan, se sert de ses connaissances pour identifier certains métaux anciens et les phénomènes d’altération présentés par des vestiges archéologiques. La période est aussi dominée par la figure de Pasteur qui prêche
« l’alliance (…) de la science et de l’art » au point que Napoléon III crée pour lui la première chaire consacrée à la physico-chimie appliquée aux arts. Enfin, au tournant du siècle les travaux de Röntgen aboutissent à l’invention des rayons X (1895) et ceux du prince de Broglie jettent les bases de la mécanique ondulatoire en postulant l’existence d’une onde associée à toute particule en mouvement (1924). Ces avancées scientifiques aboutiront, dans le courant du 20ème siècle non seulement à l’essor en peinture d’une réflexion sur les couleurs du spectre comme longueur d’ondes, vibration, mais aussi à la mise au point d’appareils et de techniques servant à réaliser des analyses en détail et en profondeur des œuvres d’art, tels que les examens en lumière de différentes longueurs d’ondes, la radiographie, la diffraction de rayons X, les accélérateurs de particules ou encore la microscopie électronique à balayage.