Διεθνούς αναγνώρισης χαίρει το Εργαστήριο Αρχαιομετρίας, που ιδρύθηκε επίσημα το 1987 και αποτελεί μετεξέλιξη παλαιότερων Προγραμμάτων που είχαν ξεκινήσει ήδη από το 1965. Το Εργαστήριο εκμεταλλεύεται τη σημαντικότατη υλική, επιστημονική και τεχνική υποδομή του Δημόκριτου και τη βιβλιοθήκη του.
Στόχος του Εργαστηρίου είναι η εξαγωγή εξειδικευμένων πληροφοριών από αρχαιολογικά αντικείμενα, μνημεία και υλικά με φυσικοχημικές μεθόδους (C-14, ακτίνες-Χ, θερμοφωταύγεια, μικροανάλυση κ.ά.). Στο φάσμα των δραστηριοτήτων του περιλαμβάνονται: η χρονολόγηση παντός τύπου οργανικών υλικών, κεραμικών, ανθρωπολογικών και παλαιοντολογικών ευρημάτων· μελέτες κεραμικής τεχνολογίας, έλεγχοι αυθεντικότητας κεραμικών αντικειμένων και χαρακτηρισμός εργαστηρίων· προσδιορισμός του τόπου προέλευσης του μαρμάρου αρχαίων γλυπτών και εντοπισμός αρχαίων λατομείων· μελέτες προέλευσης αρχαίων μετάλλων και καταγραφή των αρχαίων μεταλλείων· χαρακτηρισμός των χρωστικών υλικών και τεχνολογίας τοιχογραφιών (Ακρωτήρι Θήρας) και διακοσμήσεως μαρμάρινων μνημείων (ταφικές στήλες του νεκροταφείου Βεργίνας)· μελέτη και χαρακτηρισμός χαρτιού και μελέτες θερμικής κατεργασίας οργανικών υλικών και πυριτολίθων.
Το Εργαστήριο στελεχώνουν δέκα επιστήμονες και πολλά από τα προγράμματα με τα οποία ασχολείται πραγματοποιούνται μέσα από ένα εθνικό και διεθνές δίκτυο συνεργασιών. Πρόσφατα, μέσω του Εργαστηρίου, η Ελλάδα πέτυχε την ανάθεση από το ΝΑΤΟ ενός πιλοτικού προγράμματος με θέμα «Τεχνολογίες για τον πολιτισμό». Επί σειρά ετών το Εργαστήριο οργανώνει Σεμινάρια Αρχαιομετρίας-Αρχαιολογίας-Συντήρησης και εκδίδει το εξαμηνιαίο περιοδικό «ΔελτΑ».