В 1900 году профессор сравнительной анатомии Сорбонны Ив Деляж (следует упомянуть о том, что он считал себя атеистом) показал сделанные в 1898 году фотографии Секондо Пиа своему другу Полю Виньону. Вскоре к ним присоединились Рене Кольсон (профессор физики) и Арман Готье (профессор медицины). До 1902 года выполняемая этой группой работа представляла собой просто лабораторное моделирование, так как исследователям не удалось получить разрешение на проведение работ с самой плащаницей. Впрочем, на основании результатов этих исследований также можно было доказать, что Плащаница является подделкой, или, наоборот, получить доказательства ее подлинности.

Виньон попытался сперва нарисовать картину на полотне примерно такого же качества, как и плащаница. Однако сделанный им рисунок всякий раз стирался, если ткань складывали. Тогда Виньон начал экспериментировать с так называемой «теорией отпечатка»: он приклеивал себе бороду, обмазывался красной краской, ложился на стол, а ассистенты прикладывали кусок ткани к его лицу. Результаты этих экспериментов были крайне неудовлетворительными.

Затем Виньон испытал так называемую «проекционную теорию». Исследования показали, что пятна на полотне соответствуют тем частям тела, которые соприкасались с тканью или находились на расстоянии не более 1 см от нее. Их интенсивность находилась в обратной зависимости от расстояния: если оно было больше 1 см, изображение отсутствовало. Виньон предположил, что отпечаток на полотне образовался благодаря испарениям от мертвого тела: из пота на ткань, пропитанную смесью алоэ и оливкового масла, выделился аммиак, следы которого остались на ткани… Однако абсурдность этого предположения вскоре стала очевидной даже его автору.

Исследователи пытались получить аналогичное изображение на схожем с оригиналом куске холста путем окрашивания и нанесения на ткань различных химических веществ, а также путем продавливания материи; они анализировали раны и оставшиеся от плети отметины на теле Христа и на полученном изображении, сравнивая их с повреждениями, которые в действительности могли бы быть нанесены во время казни и распятия на кресте; они изучали также пятна крови на ткани во время химических тестов. К легенде, связанной с плащаницей, эти люди относились с большим скептицизмом, однако результаты исследований подтвердили, что они имеют дело с настоящей исторической реликвией и что плащаница действительно является тканью, которая однажды использовалась во время похорон.

21 апреля 1902 года Деляж представил результаты проведенных исследований во Французскую академию наук. В том же году вышла в свет и первая публикация Поля Виньона «Плащаница Христа» (сначала на французском, а затем и на английском языке).

В начале 1930 года выдающийся французский хирург Пьер Барбе провел ряд опытов над умершими, на основании которых предположил, что ключом к раскрытию тайны Плащаницы мог стать один момент, на который обращали внимание многие: почему на сделанном на ткани изображении на руках отсутствовали оба больших пальца? Экспериментируя, Барбе вбил гвоздь в запястье ампутированной руки и обнаружил, что при этом большой палец передвигается внутрь, то есть к центру ладони, так как вбиваемый гвоздь приводит к разрыву запястного сухожилия.

Открытие Барбе существенно повысило интерес к реликвии. Сделанные к тому времени Джузеппе Энри новые фотографии плащаницы (при этом использовались более совершенные технологии и оборудование, чем во времена Пиа) снабдили ученых новым материалом для исследований.