В работе предложена методология восстановления характеристик тензора теплопроводности анизотропных композиционных материалов на основе численного решения двумерной нестационарной задачи теплопроводности, содержащей смешанные дифференциальные операторы, используемой для определения матрицы чувствительности и шагов спуска при минимизации квадратичного функционала невязки. Предложенная методология может быть использована для восстановления других многочисленных теплофизических характеристик композиционных материалов. Получены и обсуждаются результаты численных экспериментов по определению компонентов тензора теплопроводности композиционных материалов в двумерном пространстве.