Folgende Eigenschaften des Grabtuchs gelten als einzigartig:
Die Abbildung ist nach Helligkeitsparametern ein Negativ. Das äußert sich darin, dass die Grabtuchabbildung im fotografischen Negativ realistischer erscheint als beim Anblick im Original. Trotzdem zeigt sich, dass die Abbildung – überträgt man die lokalen Helligkeitsparameter des Negativs in ein Höhenrelief – eine Dreidimensionalität aufweist, welche von einem typischen fotografischen Negativ einer modernen Kamera mit kurzer Belichtungszeit abweicht. Andererseits wurden modifizierte fotografische Techniken mit sehr langer Belichtungszeit vorgeschlagen, welche eine solche Dreidimensionalität erzeugen können. Auch andere Erklärungen wurden vorgeschlagen; nach dem italienischen Informatikprofessor Nello Balossino weisen experimentgestützte Kontaktbilder, das heißt Bilder, die durch das Auflegen eines Tuches auf einen Körper oder ein Gesicht entstehen, dreidimensionale Informationen auf.[50] Auch durch Kontaktabdrücke von einem Flachrelief lassen sich gemäß Jacques di Costanzo[51] Abbildungen mit der Grabtuch-typischen Dreidimensionalität herstellen.
Vergleich mit dem Bild einer realen Maske:
Maske des Agamemnon, die dreidimensional am Gesicht anliegt. Die Ohren sind sichtbar
Fotonegativ der Aufnahme des Turiner Grabtuches mit dem auffallend schmalen Gesicht ohne Ohren
Die Abbildung ist weitestgehend verzerrungsfrei nach Art einer fotografischen Projektion auf eine plane Fläche. Trotzdem zeigt sie die Vorder- und Rückseite der abgebildeten Person in voller und identischer Größe. Dies ist insofern bedeutend für die Erklärung der Entstehung des Bildes, da oft argumentiert wird,[52] dass beim Abdruck einer normalen dreidimensionalen Statue oder eines echten Menschen Verzerrungen die Folge sind, die bei dem Abbild auf dem Tuch nur in wenigen Details, im Gesicht praktisch gar nicht vorhanden sind.
Die Abbildung zeigt einen nach der Art Jesu gekreuzigten Mann mit Spuren von Geißelung, Dornenkrönung, Annagelung und Brustöffnung. Auffällig ist jedoch, dass die Details, von der christlichen Ikonografie abweichend, mit den Ergebnissen moderner archäologischer Forschung übereinstimmen:
Die Spuren der Dornenkrone ergeben keinen Kranz, sondern eine Haube (im Orient war die Königshaube üblich und eine kranzförmige Königskrone unüblich); die Hände erscheinen nicht in der Fläche, sondern an der Wurzel durchbohrt; die Beine müssten am Kreuz seitlich angewinkelt, nicht ausgestreckt gewesen sein.[53]