Изучение наиболее интересных природных комплексов на территории области началось задолго до организации заповедника «Приволжская лесостепь», но при этом основное внимание исследователей было обращено к сообществам зональных луговых степей - Попереченской и Кунчеровской степи и кустарниковой степи «Дикий сад».
Попереченскую и Кунчеровскую степи со всем их неповторимым своеобразием первым открыл И.И. Спрыгин, который вместе со своими коллегами, учениками и последователями приложил немало усилий для сохранения от распашки этих уникальных образцов целинной степи, которые в Среднем Поволжье больше нигде не сохранились. И.И. Спрыгиным было проведено и первое изучение растительности Попереченского степного участка.
Первые описания растительности Кунчеровской степи были сделаны преподавателем Казанского университета Б.А. Келлером в 1905 г., который назвал степь «поразительно интересным степным участком». Автором последующих описаний Кунчеровской степи в 1964г. является ботаник Московского государственного университета А.М. Носова. Именно ею дана наиболее обстоятельная характеристика флоры двух степных участков области - Попереченского и Кунчеровского, которые в 1965 г. были объявлены памятниками природы.
Кустарниковая степь близ с. Островцы, именуемая ныне Островцовской лесостепью, впервые была описана в 1901 г. тем же Б.А. Келлером, который, находясь в отпуске у своих родителей близ Саратова, занимался ботанико-географическими исследованиями чернозёмно-ковыльных степей бывшего Сердобского уезда. Им было отмечено, что подобных участков кустарниковой степи в Европейской части России ему не доводилось встречать Этот участок во всем массиве Приволжской степи является единственным объектом девственного нераспаханного чернозема. Он располагается на самой северной оконечности этого массива, глубоко врезавшегося в лесостепь, что дает возможность проследить процесс черноземообразования и изменений, происходящих в почвах в связи с интенсификацией сельскохозяйственного производства.
С незапамятных времен кустарниковая степь использовалась как садовый участок, и жители ближайших сел назвали ее «Диким садом». По степи было проложено много автомобильных дорог, чем ей наносился значительный ущерб.
Детальное изучение кустарниковой степи началось в 1980-х годах учеными Пензенского сельхозинститута. Почвенный покров был изучен и описан профессором К.А. Кузнецовым и аспирантами Н.А. Фоминым и Т.А. Ржанниковой, а древесно-кустарниковая растительность - доцентом И.С. Антоновым, им же этот участок был описан и введен в научный оборот, а также подготовлены все исходные данные для отнесения объекта к заповедным территориям.
По предложению ученых сельхозинститута Г.Б. Гальдина, К.А. Кузнецова и И.С. Антонова, кустарниковая степь «Дикий сад» была отнесена в 1982 г. к государственным памятникам природы местного значения.
Спасенные усилиями замечательных ученых целинные Попереченская и Кунчеровская степи и кустарниковая степь «Дикий сад» имеют неоценимое научное значение для познания природы лесостепи, это единственные эталоны степной флоры на огромном пространстве Среднего Поволжья.
Естественно, что научное изучение степных природных комплексов, начатое И.И. Спрыгиным и Б.А. Келлером, было продолжено сразу же после создания в 1989 г. заповедника «Приволжская лесостепь» учеными заповедника, специалистами разного профиля.
За первые десять лет существования в заповеднике были, в основном, проведены инвентаризационные работы. При этом выявлены:
- состав флоры высших сосудистых растений, мхов, лишайников и частично грибов;
- состав фауны позвоночных животных.
Начаты работы по инвентаризации беспозвоночных животных, особое значение придается выявлению мест обитания редких видов растений и животных и наблюдению за состоянием популяций и их распространением.
Немаловажное значение для развития дальнейших исследований имеет тот факт, что уже накоплен значительный материал по состоянию и структуре почвенно-растительного покрова степных биоценозов. Заложены и описаны пробные площади. Составлены геоботанические и почвенные карты степных участков и их электронные версии, отражающие состояние растительности на момент организации заповедника, начато повторное картирование степной растительности. Начаты также работы по созданию геоморфологических карт.
Подробное исследование лесных природных комплексов, вошедших в состав заповедника (Верховья Суры, Борок, Кунчеровская лесостепь), было начато только с его организацией. Эти участки в прошлом, находясь в составе гослесфонда, подвергались интенсивной эксплуатации и здесь ежегодно проводились различные лесохозяйственные мероприятия. Особенно это характерно для Верховьев Суры, где, наряду с сохранившимися уникальными коренными древостоями сосны, дуба, ольхи, имеются значительные площади антропогенных лесов - естественных лиственных молодняков и сосновых культур. Участок Борок смог избежать сплошных рубок только благодаря тому, что с 1965 года до образования заповедника этот лесной массив являлся памятником природы.Научные исследования лесных формаций заповедника были начаты, в первую очередь, с инвентаризации их флоры и фауны, которая продолжается и в настоящее время.
Приоритетным направлением в научных исследованиях заповедника является накопление и анализ информации о динамических процессах, идущих в природных комплексах без вмешательства человека, т.е. мониторинговые наблюдения. Важным принципом их организации является непрерывность и преемственность, которая достигается созданием системы стационарных объектов, на которых наблюдения за растительностью и животными ведутся систематически из года в год. Для осуществления стационарных наблюдений научные сотрудники заповедника выезжают на участки заповедника, где живут и работают в специально оборудованных стационарах и лесных избушках.
Для оптимизации условий хранения, обработки и анализа полученной информации запланировано создание ГИС заповедника «Приволжская лесостепь».
Существующие на территории заповедника природные сообщества дают возможность вести исследования по самому широкому спектру проблем. Так, на участке Островцовская лесостепь, природный комплекс которого представляет собой сложное сочетание разных типов степной, кустарниковой и лесной растительности, проводится комплексное изучение закономерностей формирования и динамики лесоопушечных комплексов.
При организации заповедника и в последующие годы ему передавались участки пашни, на которых в настоящее время наблюдаются различные стадии восстановительных сукцессий. Природные комплексы лесных участков заповедника также подвергались интенсивному антропогенному воздействию, прежде всего в виде различных форм рубок. Поэтому изучение демутационных процессов в лесных и степных природных комплексах - одно из важных направлений исследовательской деятельности заповедника.
Проведение комплексных исследований процессов, протекающих в экосистемах, позволит со временем разработать рекомендации по восстановлению растительности и режиму её использования на территориях, прилегающих к заповеднику. Это особенно актуально в отношении лесостепного биома, поскольку сохранение его возможно только при условии увеличения количества особо охраняемых природных территорий (ООПТ), объединенных экологическими коридорами в единую региональную сеть.
Результаты научных исследований природных комплексов заповедника отражаются в Летописи природы, ведению которой уделяется большое внимание. Ежегодно с 1993 г. заповедник выпускает по одному тому Летописи, в которой помещаются данные о численности основных видов охотничье-промысловых животных (лось, кабан, косуля, волк, куница, глухарь, тетерев и др.), мелких млекопитающих, почвенных беспозвоночных, данные о флористическом составе участков и его изменениях, фенологические наблюдения, описания пробных площадей, карты растительности и почвенного покрова и т.д.
Кроме мониторинговых наблюдений по программе Летописи природы, в заповеднике проводятся научно-исследовательские работы по дополнительным темам-проектам, часть из которых осуществляется при финансовой поддержке как российских, так и зарубежных инвестиционных фондов.
Результаты научных исследований сотрудники заповедника помещают в виде статей в журналах, сборниках, научных трудах, докладывают на симпозиумах, совещаниях и научно-практических конференциях.
Помимо научных исследований, в задачи научного отдела заповедника входит подготовка молодых кадров, экологическое образование и просвещение. В заповеднике проходят практику студенты различных вузов, а также школьники. Здесь они учатся работе в полевых условиях, осваивают методы наблюдения за животными, изучения растительности, почв. Результаты самостоятельных исследований затем докладываются ими на научных студенческих и школьных конференциях, используются при написании курсовых и дипломных работ, школьных научных проектов.Научные сотрудники не только являются руководителями школьных и студенческих работ, но участвуют также в проведении лекций, экскурсий, пишут статьи в газеты, подготавливают буклеты и брошюры по различным областям биологии и экологии.