За истекшие четыре с половиной века образ Пресвятой Девы Гваделупской осматривался и изучался множеством ученых и мастеров живописи. Систематические исследования нерукотворного образа начались в 1948 году и ведутся уже на протяжении полувека. За это время он был подвергнут самым тщательным лабораторным анализам, большинство из которых затем неоднократно делались повторно. При этом, как и в случае с Туринской плащаницей, всякий раз использовались самые современные технические средства.

В 1976 году, после многолетних исследований, мексиканские ученые Эрнесто Соди Пальярес и Роберто Паласиос пришли к заключению: полотно, на котором запечатлен образ Девы Марии, соткано из кактусовых волокон. Этот материал очень недолговечен и подвержен быстрому разрушению. Максимальный срок существования такого материала – два-три десятилетия. Тот факт, что полотно с образом Девы Марии сохраняется на протяжении уже 470 лет и никаких признаков гниения или распада на нем нет, с научной точки зрения необъясним. К этому следует добавить, что первое время – более двухсот лет! – образ находился в алтаре базилики без каких-либо защитных покрытий – стекла, оклада и т. п., в копоти сотен свеч, в дыму кадил. Перед ним ежедневно проходили сотни паломников, на него воздействовали естественные атмосферные процессы (церковь все-таки не герметичная конструкция). И все это не оставило на нем ни малейших следов! Более того: результаты научных исследований показали, что материал, на котором запечатлен образ Девы Марии, по необъяснимым причинам не покрывается пылью, не подвержен влиянию влаги и гнилостных бактерий, воздействию насекомых и грибков.

В 1977 году образ Пресвятой Девы Гваделупской был тщательно исследован американскими и немецкими учеными. В их числе был и Нобелевский лауреат, профессор химии из Гейдельберга Рихард Кун. Исследования велись с помощью новейших методов, включавших фотографирование в инфракрасных лучах. Результаты этих исследований заставили задуматься даже закоренелых скептиков: они показали, что образ не мог быть создан человеческой рукой, так как на полотне отсутствуют какие-либо следы грунтовки, разметки, предварительных набросков и т. д., и вообще сам метод, каким этот образ создан, современной науке неизвестен. Исследователи в один голос утверждают, что на полотне нет следов кисти живописца. Ученых поразило и отсутствие каких бы то ни было пигментов естественного происхождения – минерального, животного или растительного. Но синтетических пигментов тоже нет, а кроме того, синтетических красителей в 1531 году и не знали! Установлено, что каждый оттенок изображения представляет собой химическое соединение, молекулы которого непосредственно связаны с тканью. Там, где их нет, нет и цвета, а значит, и изображения.

Факт абсолютной сохранности полотна и красок неизменно поражает всех специалистов, когда-либо бравшихся за изучение образа. Профессор Филип Каллахэн из университета штата Флорида (США), исследовавший чудесный образ в 1979 году, пишет в своем отчете: «Если только одна горящая перед образом свеча выделяет 600 микроватт энергии, то в замкнутом помещении, при сотнях горящих свечей и тысячах приходящих паломников образуется такая агрессивная среда, что в самое короткое время должно было произойти выцветание красок образа, вплоть до его полной гибели… Однако образ Девы Марии Гваделупской обладает удивительной устойчивостью ко всем воздействиям подобного рода». Ф. Каллахэн и его коллега Джоди Б. Смит изучали образ Девы Марии в инфракрасных лучах. Они обнаружили, что при изменении угла наблюдения цвета образа меняются. Это явление известно как иридесценция, и оно не может быть воспроизведено искусственным путем – то есть образ Девы Марии не может быть рукотворным!