В национальном парке осуществляется комплекс научно-исследовательских работ, позволяющий отследить естественный ход процессов, протекающих в природе. В  рамках данного направления проводится инвентаризация биологического разнообразия природы национального парка; слежение за численностью редких и фоновых видов животных; наблюдение за состоянием популяций редких видов растений и динамикой растительных сообществ; наблюдение за погодными, фенологическими и антропологическими факторами, воздействующими на природные комплексы. По результатам этих исследований составляется «Летопись природы».
Одно из ведущих мест в научной работе парка отводится исследованиям, связанным с формированием крупной популяции европейского зубра. К настоящему времени в лесолуговых экосистемах национального парка обитает 3 группы вольноживущих зубров (Красниковская (Северная), Авдеевская (Центральная) и Алехинская (Южная), общая численность животных в них составляет 383 зубра  по данным 2018 года. Территория, освоенная зубрами, составляет более 150000 га.  Эта популяция занимает первое место по численности чистокровных зубров в России, второе место в мире после Беловежской Пущи, и имеет реальные перспективы для дальнейшего роста. Проблема непрерывного мониторинга популяции зубров решается путем снабжения контрольных животных ошейниками с радиомаяками, а также использования средств видеослежения на подкормочных площадках и в местах длительной дислокации стад.

В парке также ведутся работы по восстановлению численности популяции выхухоли. Производится контроль над ее расселением и адаптацией. В 2002 году 10 пар этих зверьков были выпущены на подходящих для их обитания водоемах. По результатам учета 2006 года было установлено, что они прижились и распространились по реке Вытебеть на несколько километров ниже места выпуска и в пруду села Льгов. 
С 2012 года идет сбор материалов для «Атласа гнездящихся птиц Европейской России».
Совместно с ОГУ и МГУ в течение ряда лет производятся детальные исследования флоры национального парка. С 2003 года изучается растительность по методике Браун-Бланке.
Территория национального парка обладает богатым археологическим потенциалом. В будущем предусматривается реабилитация культурно-исторического ландшафта и частичная реконструкция памятников археологии, в частности, городища Радовище.
На основе собранных научных данных составляются специализированные базы данных и тематические слои ГИС.