В криминалистической экспертизе материалов и веществ используют различные физико-химические методы. Это атомная спектроскопия, рентгеновский и нейтронно-активационный анализы. Они позволяют установить целое по его различным частям, а также выяснить общий источник происхождения разных объектов. Элементный анализ применяется для идентификации лакокрасочных покрытий автомобилей, волокон и тканей, отождествления холодного оружия и взрывных устройств по обломкам и осколкам, исследования почвенных объектов. Элементный состав наркотиков природного происхождения указывает на регион произрастания и способы изготовления, а у синтетических позволяет уточнить технологию и место производства. Элементный анализ помогает конкретизировать месторождение ювелирных камней или благородных металлов, дифференцировать драгоценные камни на естественные и искусственные, когда это необходимо в связи с расследованием преступных манипуляций с ними.
Молекулярная спектроскопия применяется при экспертизе лекарственных, наркотических и отравляющих веществ, пищевых продуктов, химических волокон, пластмасс, горюче-смазочных материалов (ГСМ), лакокрасочных покрытий, резинотехнических изделий. Инфракрасная спектроскопия – для отождествления химических соединений. Она дает ценную информацию об особенностях состава нефтепродуктов, смазочных масел, волокон, полимеров, пластических масс, паст шариковых авторучек, фломастеров и других предметов. Спектральный люминесцентный анализ используют при исследовании ГСМ, полициклических и ароматических углеводородов, ядовитых веществ и др. Низкотемпературный спектральный люминесцентный анализ позволяет дифференцировать участки местности по содержанию углеводородов в промышленных загрязнениях почвы, стекол различного состава и прочих сложных объектов.
Для изучения структуры и фазового состава практически всех криминалистических объектов, имеющих кристаллическое строение, широко применяются методы металлографии и рентгеноструктурного анализа, в особенности при исследовании зольных остатков сожженных ценных бумаг и документов, наркотиков, лакокрасочных частиц, ядов, фармакологических препаратов, строительных материалов, изделий из металлов и сплавов.
Хроматографические методы обеспечивают определение фракционного и молекулярного состава веществ. При анализе органических объектов: жиров, масел, лекарств, красителей текстильных волокон, взрывчатых веществ наиболее распространена тонкослойная хроматография. В технической экспертизе документов с ее помощью удается дифференцировать одноцветные чернила, разведенные по разной рецептуре, а также регистрировать различия, обусловленные отклонениями в технологическом процессе. Современные хроматографы, оснащенные компьютерными блоками, позволяют решать многие экспертные задачи по анализу полимерных материалов, спиртов, ГСМ, биологически активных веществ