Пошукова робота музею здійснюється науково-дослідним методичним відділом.

На даному етапі розвитку історичної науки постає проблема об'єктивності висвітлення історичних подій на теренах України. В радянський час не вивчалися або замовчувалися події, пов'язані з періодом національно-визвольних змагань, Голодомору 1932-1933 рр., репресіями 1930-х років. Недостатньо досліджені пам'ятки історії козацтва, культові споруди та пам'ятки науки і техніки. У межах підготовки Полтавського тому «Зводу пам'яток історії та культури України», під час експедицій у райони області, науковці відділу, шляхом обробки архівних матеріалів, краєзнавчої літератури та безпосереднього спілкування з людьми на місцях, виявляють та обстежують подібні об'єкти. Так, наприклад, у с. Лютенька Гадяцького району виявлено місце садиби отамана антибільшовицького формування Левка Христового. У с. Велика Обухівка Миргородського району на території колишньої садиби графів Капністів, поряд з могилами предків, знаходиться могила заслуженої артистки України Марії Ростиславівни Капніст (1915–1993 рр.), яка 17 років провела в сталінських таборах лише за те, що належала до старовинного графського роду.

Одним з важливих напрямків роботи відділу залишається дослідження пам'яток періоду Другої Світової війни. Складність у дослідженні полягає у виявленні самих поховань. На жаль, і досі значна частина могил залишається безіменними. За офіційними відомостями в ході бойових дій на Полтавщині загинуло 228 134 воїнів Радянської Армії. Однак, ще багато імен загиблих воїнів залишились невідомими.

Співробітниками науково-дослідного відділу пам'яткознавства на основі опрацьованих матеріалів Центрального архіву Міністерства оборони Російської федерації, Архіву військово-медичного музею Міністерства оборони Російської Федерації, Державного архіву полтавської області, Книг Пам'яті полтавської та інших областей, Книг Скорботи, інтернет-ресурсу www.obd-memorial.ru проводиться пошукова робота по виявленню прізвищ воїнів Червоної Армії, підпільників та партизан, які загинули, зникли безвісті на території Полтавської області та розпочато створення електронної бази данних, яка постійно поповнюється. Списки по Решитилівському та Великобагачанському районах надруковані окремим розділом у відповідних томах «Зводу пам'яток історії та культури України: Полтавська область».