Il problema sindonologico di più difficile trattazione (e proprio per questo il meno indagato), è quello relativo alle macchie di colore rosso chiaramente visibili sul telo. Molti ricercatori, che pure nei loro tentativi di riproduzione dell'immagine hanno raggiunto risultati vagamente paragonabili all'immagine sindonica, hanno quasi sempre tralasciato il problema delle macchie rosse, senza rendersi conto che i loro lavori vengono in questo modo sostanzialmente invalidati.

I primi esami effettuati per determinare la natura fisico-chimica di queste macchie rosse furono condotte nel lontano 1969: alla pubblicazione dei risultati, gli studiosi, che ottennero un risultato negativo, sottolinearono come lo stesso non poteva considerarsi conclusivo e non forniva un giudizio assoluto dell'esclusione della natura ematica del materiale esaminato. E non poteva essere diversamente (aggiungo), considerando il livello raggiunto dalle analisi scientifiche a quel tempo. Tuttavia, molti scettici utilizzano ancora oggi questi esami come prova dell'assenza del sangue sulla Sindone: molti di loro riportano la notizia che gli scienziati impiegati nelle analisi rinvennero tracce di colorante, e che gli esami, data la quantità di materiale, difficilmente avrebbero sbagliato. Questi risultati, secondo gli scettici, sarebbero confermati dalle ricerche di W. McCrone (condotte tra il 1978 e il 1980), che avrebbe rinvenuto su alcuni campioni tracce "inequivocabili" di coloranti. Ma grazie al progresso della scienza, l'italiano Pier Luigi Baima Bollone e gli americani J.H. Heller e A.D. Adler raggiunsero, in maniera autonoma, un risultato positivo sulla determinazione della natura ematica delle macchie rosse. Gli Americani lavorarono su un campione di 700 picogrammi, adeguatamente solubilizzato: come test, scelsero la conversione in porfirina dell'ipotetico gruppo eme (gruppo prostetico o gruppo molecolare di tipo non proteico, che si unisce alla parte proteica della molecola), contenuto nell'emoglobina del sangue. La porfirina è riscontrabile per la sua caratteristica fluorescenza rossa eccitabile nella banda di Soret, che è un assorbimento molto evidente a 410 nanometri, dovuto alla porfirina dell'eme del sangue. Essi ottennero risultati positivi [1].
Inoltre riscontrarono la presenza di pigmenti di bile e proteine del siero (albumine), determinando quindi la presenza di sangue intero sul tessuto e non solo proteine del sangue.
Utilizzando una soluzione di enzimi proteolitici, riuscirono a dissolvere completamente la sostanza costituita da particelle del rivestimento rosso delle fibrille di lino: l'assenza di qualsiasi residuo determinò ancora che si trattava di sangue.
Ulteriori esami confermarono la scoperta di Heller e Adler, i quali respinsero così fermamente l'ipotesi di W. McCrone sull'utilizzo di pigmenti di ossido di ferro e vermiglione nello stesso legante. Tra questi esami ricordiamo: la fluorescenza ai raggi X, la microspettrometria, diverse reazioni chimiche specifiche, il test positivo per l'emocromo mediante uso di idrazina.
Attorno alle macchie di sangue rilevarono la presenza di un composto non visibile ad occhio nudo, identificato come siero: il lenzuolo fu dunque a contatto con un corpo umano ferito. L'identificazione è stata resa possibile tramite trattamento con proteasi, il quale rimuove anche il rivestimento giallo-oro delle fibrille di lino rivestite di siero. Queste fibrille "liberate", osservato al microscopio a contrasto di fase, assomigliano moltissimo alle fibrille non interessate dal fenomeno dell'impressione dell'immagine.
La presenza di una maggiore concentrazione di ferro nella zona delle macchie rosse rispetto al resto del Lenzuolo (presenza dovuta al lavaggio in acqua delle piante di lino), è stata interpretata come un'ulteriore conferma della presenza di sangue.
A proposito dell'ipotesi di McCrone è utile aggiungere quanto segue: le sue ipotesi oggi non sono più sostenute dai suoi "seguaci"; vennero presentate in congressi che non richiedevano revisione scientifica; vennero pubblicate nella rivista scientifica The Micriscope, da lui diretta...
Anche lo scienziato David Ford dell'Univ. di Maryland (Baltimora, USA), sconfessò i risultati di McCrone, evidenziando la sua superficialità tradotta in palesi errori nel riportare i dati ottenuti, l'errore nell'affermare che le particelle di sangue possiedono certe caratteristiche cristalline che in realtà non presentano, dell'essersi affidato alla semplice «identificazione a vista» mediante microscopio ottico, assolutamente insufficiente a dare credibilità alle conclusioni scientifiche ottenute dal microchimico.

I risultati autonomamente ottenuti da Baima Bollone dimostrarono che sulla Sindone c'è sangue, che questo sangue è sangue umano e di gruppo AB.

C'è inoltre da considerare un altro aspetto: la particolarità delle macchie. Esse sono molto nitide, e i decalchi di sangue non sono alterati. In poche parole, il contatto tra Corpo e Lenzuolo si è interrotto all'improvviso e istantaneamente: se il Corpo fosse stato spostato o estratto, almeno qualche decalco di sangue dovrebbe mostrare segni di sbavature che invece, come detto, sono assenti. La nettezza delle ferite inoltre, causata dal rapido essiccamento del sangue, fa pensare che il Crocifisso era disidratato.
Per spiegare il fenomeno delle macchie, secondo J. Jackson, «si può ipotizzare che il Telo abbia attraversato il Corpo, divenuto "meccanicamente trasparente" nei confronti del Lenzuolo. I punti precedentemente a contatto con la pelle si sarebbero portati lateralmente e l'immagine corporea si sarebbe formata sul Telo man mano che il Lenzuolo, scendendo per gravità, avrebbe incontrato il contorno del Corpo.
«A conferma di tale ipotesi si notano, per esempio, le macchie nei capelli ai lati del volto, che si sarebbero formate dove il Telo, in un primo momento, tovvaca le guance; in corrispondenza dell'immagine frontale, all'altezza del gomito destro, si nota anche il filo di sangue che termina con una chiazza rotonda, completamente esterna all'impronta del Corpo» [2].

[1] Fanti-Marinelli 2003: La Sindone rinnovata, p. 144
[2] Fanti-Marinelli 2003: La Sindone Rinnovata, p. 147