Les substances naturelles organiques (résines d'arbres, huiles siccatives, colles animales, ou gommes) ont été employées, dans le domaine du patrimoine, dans différents contextes et applications. Leurs aspects similaires sous forme brute, transformée, ou altérée, et leurs compositions chimiques complexes rendent leur identification et leur discernement difficiles. Les techniques de référence utilisées pour leur analyse sont les méthodes séparatives couplées à la spectrométrie de masse, qui nécessitent un prélèvement destructif de l'échantillon peu favorable dans le domaine du patrimoine. Dans ce travail, une approche alternative non destructive exploitant les potentialités des spectroscopies Raman et infrarouge a été développée. Des méthodologies de traitement des signatures vibrationnelles mettant en évidence les différences entre les familles chimiques de notre corpus sont proposées sur la base de procédures multivariées (décompositions spectrales, analyses en composantes principales). Les substances naturelles organiques ont pu être classées par familles et sous-familles chimiques, leur vieillissement a été caractérisé, et les composants de mélanges organiques ont pu être identifiés et quantifiés. L'ensemble des développements méthodologiques a été appliqué à différents types de matériaux du patrimoine culturel, représentatifs des situations pouvant être rencontrées : des résines archéologiques d'un site yéménite médiéval, des matériaux bruts issus du fonds de commerce d'un marchand de couleurs du XIXème siècle, et enfin un corpus d'instruments de musique vernis issus des collections du Musée de la Musique (Paris).