מכון ויצמן מנהל תכנית פעילה לארכאולוגיה המשלבת כלים ושיטות מעולם הכימיה כחלק מהמחקר  הארכאולוגי, לטובת הבנה מעמיקה יותר של ההיסטוריה והתפתחות החברות האנושיות. אחת התגליות המכוננות שיצאו מהיחידה לארכאולוגיה מדעית הייתה תיארוך גולגולת שנמצאה במערת מנות, מבנה טבעי מאבן גיר בישראל אשר היה אטום במשך יותר מ-15,000 שנים. הגולגולת החלקית ממערת מנות, בת 55,000 שנים, היא הראיה הממשית הראשונה לבני אדם שהתגוררו באזורנו לצד הנאנדרתליים.

במחקר נוסף ראוי לציון אשר כלל שימוש באמצעים מיקרו-ארכאולוגיים, חוקרים מצאו במערת קסם – ליד ראש העין – ראיות לשימוש המוקדם ביותר אי-פעם באש על בסיס קבוע. שוכני המערה עשו שימוש במדורות לאורך זמן רב כבר לפני 300,000 שנה.

העבודה ביחידת הארכאולוגיה המדעית סובבת סביב מרכז הלן ומרטין קימל למדעי הארכאולוגיה. אחד מסימני ההיכר של היחידה היא הדגש שהיא שמה על מיקרו-ארכאולוגיה ושיטות תיארוך מתקדמות נוספות. מרבית העבודה בתחום זה מתבצעת במעבדת מחקר מאיץ ספקטרוסקופיית מאסות על שם דנגור (D-REAMS).

ליחידה יש גם שיתוף פעולה ארוך-טווח עם מכון מקס פלנק באמצעות מרכז מכון ויצמן-מקס פלנק לארכאולוגיה ואנתרופולוגיה אינטגרטיבית, אשר מנוהל במשותף על-ידי פרופ' ז'אן-ז'אק הובלין ממכון מקס פלנק לאבולוציה אנושית בלייפציג ופרופ' סטיב ויינר.