Am Phyletischen Museum findet international anerkannte wissenschaftliche Forschung statt, insbesondere im Bereich Insektenbiodiversität und -morphologie. Laufende Projekte beschäftigen sich beispielsweise mit der Stammesgeschichte und Taxonomie der Fächerflügler und der Erforschung der riesigen Biodiversität von Insekten in den tropischen Anden. Für diese Arbeiten spielt die Sammlung eine zentrale Rolle; in den Jahren 2016 bis 2022 sind alleine etwa 25.000 Falter neu in die Sammlung integriert worden, darunter viele bisher unbekannte Arten, die in Zukunft wissenschaftlich beschrieben werden sollen. Auch an Wirbeltieren wird seit langem geforscht, denn das Phyletische Museum ist die Sammelstelle von Totfunden der Wildkatze in Thüringen. Die Tiere werden in Zusammenarbeit mit dem Senckenberg-Institut Gelnhausen morphologisch und genetisch untersucht.