Dès le lendemain de l'incendie, huit groupes de travail, dont quatre portant sur l’étude des matériaux (bois, métal, pierre et verre), se sont progressivement mis en place pour enrichir non seulement les connaissances sur Notre-Dame et plus largement sur les autres cathédrales médiévales, mais aussi d’apporter des informations utiles à la restauration de l’édifice et accompagner ainsi les architectes en chef des monuments historiques, maîtres d’œuvre, et l'Établissement public chargé de la conservation et de la restauration de la cathédrale, maître d'ouvrage. Ils regroupent plus d’une centaine de chercheurs appartenant à une cinquantaine de laboratoires, répartis dans toute la France. Confrontés à une recherche d’une ampleur inédite, ils s'attaquent à l’étude d’un arc médiéval de la nef effondrée. 

Pendant plusieurs mois, ils collectent, organisent et analysent la structure des centaines de blocs tombés des voûtes afin de comprendre leur agencement. Cette tâche ardue leur donne accès à des traces archéologiques : des marques sur les pierres jusque-là cachées. Apprendre à les lire va leur permettre de comprendre l’intention des bâtisseurs, engagés dans une véritable course à la hauteur. Les archéologues et historiens ont aussi pour mission d’aider les architectes en charge de la restauration à retrouver des savoir-faire vieux de plus de huit cents ans. Pour reconstruire des arcs et des voûtes médiévaux de cette ampleur, clés de la stabilité et de la structure de l’édifice, ils vont s’appuyer sur un logiciel 3D, spécialement créé pour calculer les possibilités d’agencement des pierres.