Les matériaux du patrimoine peuvent être de nature très diverse (roches et silex, céramiques, métaux et alliages, verres, matière picturale, papier, bois, végétaux, …). Ils ont été agencés pour former des objets plus ou moins complexes et hétérogènes, de différentes qualités. Ils peuvent avoir été élaborés selon des procédés variés, mettant en jeu des déformations mécaniques mais également des transformations chimiques et thermochimiques de tous ordres. Ils sont souvent hétérogènes, et ce de l'échelle fonctionnelle à celle submicrométrique. Leur composition et leur microstructure recèlent de ce fait un grand nombre d'informations sur les savoir-faire techniques et les réseaux d'échanges, mais également les origines ou la période d'utilisation de ces matériaux . C'est pourquoi leur analyse et leur étude physico-chimique, qui mets en oeuvre des méthodologies adaptées et innovantes, peuvent être considérées comme une source produisant des informations historiques à part entière. Nous verrons comment la mise en oeuvre de ces méthodes (allant de la microscopie optique aux techniques sur anneaux synchrotrons, en passant par l'instrumentation portable peut permettre de comprendre l'histoire technique de certains matériaux comme les céramiques ou la matière picturale, leur réseaux d'échange parfois complexes comme pour les fers et les aciers, le verre ou l'ivoire. Les approches sont aujourd'hui intégrées aux études historiques et les questionnements scientifiques sont co-construits de manière interdisciplinaire. Une fois les objets abandonnés, ou au cours de leurs histoire, les matériaux qui les constituent subissent des processus d'altération dont la compréhension des mécanismes physicochimiques est cruciale pour le diagnostic de leur état de conservation et la mise en place de traitements de protection. Nous montrerons aussi comment ces études servent également à prévoir le comportement de matériaux employés dans le futur sur la très longue durée. Enfin, nous terminerons cette communication par quelques exemples d'études où la chimie et les nanosciences permettent de mettre en place des traitements de restauration et de protection.