מאז גילוין של המגילות מעסיקה בעיית שימורן את החוקרים ואת המשמרים. עצם חשיפת המגילות והוצאתן מהמערות שבמדבר יהודה ערערה את התנאים שבעטיים הן השתמרו במשך למעלה מאלפיים שנה.

המגילות כתובות הן על קלף הן על פפירוס. לצד מספר מצומצם של מגילות גדולות נמצאו אלפים רבים של קטעי מגילות שהורכבו לכדי 1200 לוחות בקירוב: כ-900 לוחות של קטעי קלף וכ-300 לוחות של קטעי פפירוס. גלגולים רבים עברו המגילות מאז שנתגלו לראשונה בידי הרועה הבדואי ועד להקמת מעבדת שימור המגילות של רשות העתיקות בשנת 1991. העבודה במעבדה מלווה במחקר ובייעוץ מקצועי, והיא מסתייעת בידע ובניסיון שנרכש במעבדות השימור ברחבי העולם. מלאכת השימור עדיין בעיצומה, ובמהלכה מטופלים כתבי-היד בטכניקות שימור חדשניות.

שימור המגילות נעשה בראשונה בידי החוקרים עצמם (האב דה-וו, קרוס, מילק, סטארקי, אלגרו, סטרגנל ואחרים) בראשית שנות החמישים של המאה העשרים, זמן קצר לאחר גילוין. הם סידרו את קטעי הטקסט בלוחות על-פי תוכנם ועשו כמיטב יכולתם שלא לגרום נזק למגילות. באשר לשימור, הם הסתייעו במידע אקראי ממוזיאונים באירופה, ממשמרים שטיפלו בפפירוס ועור (בעיקר מספריית הוותיקן). קטעי הטקסט שהובחנו כשייכים זה לזה אוחו לכדי טקסט אחד באמצעות נייר דבק (צלוטייפ). הקטעים שחוברו הונחו בין שני לוחות זכוכיות, שאף הם הודבקו זה לזה ברצועה של נייר דבק. הלוחות צולמו על ידי צלם מוזיאון רוקפלר, נג'יב אלבינה, שהפיק תוצאות מרשימות בעזרת צילום בקרניים אולטרא-סגולות ואינפרא-אדומות. הצילומים הם עדות אילמת למצבן של המגילות והכתוב בהן בעת מציאתן. כבר בראשית שנות הששים של המאה העשרים התחוור הנזק הרב שנגרם למגילות עקב השימוש בנייר דבק ואטימתן בתוך לוחות הזכוכית. הכתמים הכהים והמשקעים הדביקים שכיסו את קטעי המגילות מכלים את הקלף וגורמים לעתים לנזק בלתי הפיך.

לאחר מלחמת ששת הימים הועבר בניין מוזיאון רוקפלר לידי ממשלת ישראל והטיפול בו ובאוספיו הופקד בידי אגף העתיקות והמוזיאונים דאז. עם שוך הקרבות ומציאת אוסף המגילות שהוחבא בבניין הוחל בארגון החומר ובמיונו. נרשמו למעלה מ-1200 לוחות זכוכית, ובהם אלפי קטעים של מגילות, והוכנו רשימות מצאי, תוך התייחסות לזיהויים של הקטעים. אנשי אגף העתיקות, יחד עם אוצר היכל הספר, החלו לבדוק את מצב השתמרותם של הקטעים. בבניין רוקפלר הותקן מחסן מבוקר-אקלים, ומשמרי מוזיאון ישראל, שצברו ניסיון בפתיחת המגילות הגדולות המוצגות בהיכל הספר, החלו לטפל בלוחות בהתאם לידע שעמד לרשותם בשנות השבעים והשמונים של המאה העשרים (עד 1988 טופלו כ-400 לוחות). זמן קצר לאחר הקמת רשות העתיקות, ובמקביל להקמת ועדת החוקרים לפרסום המגילות בראשותו של פרופ' עמנואל טוב, החליט אמיר דרורי, מנהל רשות העתיקות דאז, להקים מעבדה ייחודית לשימור המגילות. אסתר בויד-אלקלעי, מומחית לשימור נייר בארץ, התבקשה לסייע בהערכת מצב השתמרותן של המגילות ולייעץ לגבי אחסונן והמשך שימורן. יחד עם לנה ליבמן, לימים ראש המעבדה, הן ערכו במשך שנה בדיקות וניסיונות בשיטות טיפול ושימור שונות.

במקביל להתחלת מבצע השימור המקיף כינסה רשות העתיקות ועדת מומחים בינלאומית בחסות מכון גטי לשימור מארצות הברית. על-פי מסקנות הוועדה והנחיותיה נקבע המשך תהליך העבודה. צוות מדענים, גם הוא בחסות מכון גטי, עסק בחקר הנזק שנגרם למגילות ובשינויים שהתרחשו בהן מאז שהתגלו. המחקרים בדקו את תנאי הסביבה — הלחות והטמפרטורה במערות שבהן נמצאו המגילות — ואת הסיבות להתדרדרות הפיזית, הכימית והביולוגית של כתבי-היד מאז חשיפתם. במסגרת המחקרים נבחנו דוגמות קלף ודוגמות מהדיו שבו נכתבו המגילות. התוצאות סייעו בבחירת החומרים המשמשים לשימור, וקבעו כי יש לאחסן את המגילות במחסן מבוקר-אקלים שהטמפרטורה והלחות בו קבועים ותואמים את התנאים במערות מדבר יהודה. בשל החשיבות התרבותית העצומה והעניין שהמגילות מעוררות בעולם נרתמו גם חוקרים ממדעי הטבע למחקר. בדיקות פחמן-14 איששו את תיארוך המגילות שנקבע עד אז על בסיס פליאוגרפי בלבד, וזמנן נקבע במדויק. בדיקות DNA קדום ניסו לתת תשובה לשאלה המסקרנת רבים — מי כתב את המגילות והיכן. עזרה נוספת הגיעה ממעבדות נאס"א בארצות הברית, אשר באמצעות המצלמה הפיזיקלית שפיתחו, סייעו בפענוח קטעים לא-ברורים. גם מעבדות חברת 'לייקה' בגרמניה תרמו למחקר בעת שהסבו מיקרוסקופ לייזר קונפוקלי לצורך איתור סימני כתב שנעלמו.

צוות המעבדה כולל ארבע משמרות, שהתמחו בתחומים קרובים במוזיאונים ובספריות בברית המועצות לשעבר, אשר עם עלייתן ארצה עברו ברשות העתיקות השתלמות בשימור המגילות. על-מנת לעצור בעד ההתדרדרות במצב המגילות הוחל בטיפול שימורי, הכולל הסרה של שרידי נייר הדבק המזיקים וניקוי של קטעי הקלף וחיזוקם - עבודה החייבת להיעשות בסביבה נקייה ככל האפשר. עבודה זו היא איטית ועדינה, האורכת זמן רב מאוד, ודורשת סבלנות ומיומנות גבוהה ביותר. לאחר הטיפול מועברים קטעי המגילה לאחסון בין לוחות קרטון נטולי חומצה וחומרים 'נושמים', במקום לוחות הזכוכית שהפעילו לחץ ומנעו אוורור. עד היום סיימה מעבדת השימור להגיש 'עזרה ראשונה' למרבית הלוחות של קטעי המגילות, ולטפל מחדש בכ-350 לוחות, בעיקר באלו המכילים קטעי קלף; חלקם אף מוסגרו לצורכי תצוגה.

מעת לעת מוצגים קטעי המגילות בתערוכות מיוחדות בעולם, זאת למען שתי מטרות: (1) חשיפת נכס התרבות הייחודי הזה לקהל בינלאומי רחב ככל האפשר; (2) מימון הטיפול בקטעים נוספים המיועדים לתצוגה. מאז שנת 1996 מטפלת המעבדה לשימור המגילות של רשות העתיקות גם באוסף המגילות שברשות היכל הספר שבמוזיאון ישראל. קטעי המגילות עוברים בדיקות תקופתיות שיטתיות. הבדיקות מורות כי התהליך שננקט עד עתה הוכיח את עצמו. עם זאת, חשוב להדגיש כי הטיפול שנקבע הוא הפיך, כך שאם יפותחו בעתיד שיטות חדשות ניתן יהיה לשנות את הטיפול ללא גרימת נזק נוסף למגילות.

כאמור מלאכת השימור איטית וממושכת. לכן, למרות שהמעבדה קיימת כבר למעלה מעשר שנים, עוד ארוכה הדרך. משך אלפיים שנה השתמרו המגילות במערות שבהן הוחבאו. מאז חשיפתן מתחולל בהן תהליך התכלות אותו אנו מנסים להאט, שאם-לא-כן המגילות, שהן נכס תרבותי לעם ישראל ולכלל אומות העולם, יינזקו באופן בלתי הפיך. משום כך מוטלת עלינו החובה התרבותית להתמיד במלאכה ולדאוג לשימורן למען הדורות הבאים.