Наукова робота музею, сьогодні, полягає у дослідженні музейних колекцій, які налічують понад 180 тисяч зразків та підготовці ґрунтовного видання щодо історії Музею. Нажаль, за понад 230-літню історію Зоологічного музею, каталогів його колекцій не було складено, а його становлення та розвиток мають чимало «білих» плям.

Результати досліджень історії музею та колекцій висвітлено в низці тез, статей та фундаментальних енциклопедичних видань, зокрема: «Енциклопедії Львівського університету», «Енциклопедії Сучасної України», «Енциклопедії Львова» та «Енциклопедії НТШ»).

Протягом історичного часу, у частини колекцій чи окремих музейних предметів були втрачені етикетки. Тому співробітники музею ведуть дослідження з відновлення історії колекцій та окремих музейних зразків (їх походження, оформлення, авторство), а також проводять каталогізацію фондів. Зокрема, з 2000 року, опубліковано 6 каталогів колекцій (Каталог яєць та гнізд птахів Зоологічного музею Львівського національного університету імені Івана Франка / укладачі: Н. А. Пісулінська, І. В. Шидловський, А. Т. Затушевський – Львів: ЛНУ ім. Івана Франка, 2013. – 142 с; Каталог колекцій ссавців Зоологічного музею Львівського національного університету імені Івана Франка / Уклад: Затушевський А. Т., Шидловський І. В., Закала О. С., Дикий І. В., Головачов О. В., Сеник М. А., Романова Х. Й. – Львів : Видавничий центр ЛНУ імені Івана Франка, 2010. – 442 с; Каталог колекції прісноводних молюсків проф. В. І. Здуна у фондах Зоологічного музею ЛНУ ім. І. Франка / Укладачі: Шидловський І. В., Гураль Р. І ., Романова Х. Й. – Львів: Видавничий центр ЛНУ ім. І. Франка, 2008. – 58 с; Шидловський І. В., Головачов О. В. Рівнокрилі комахи (Homoptera) з колекції Е.-Ф. Гермара у фондах Зоологічного музею ЛНУ ім. І. Франка (каталог). – Львів: Вид-во ЛНУ ім. І. Франка, 2005. – 87 с; Шидловський І. В., Головачов О. В., Лисачук Т. І., Романова X. Й. Каталог яєць та гнізд птахів Зоологічного музею ім. Бенедикта Дибовського. – Львів: вид-во ЛНУ ім. І. Франка, 2001. – 63 с; Царик Й. В., Шидловський І. В., Головачов О. В., Лисачук Т. І., Романова X. Й., Паславська Т. М., Єдинак Г. 3., Павлюк Р. С., Вознюк М. Н. Каталог рідкісних та червонокнижних видів тварин колекцій зоологічного музею. – Львів: вид-во ЛНУ ім. І. Франка, 2000. – 59 с.).

Крім того, ведуться дослідження пов’язані з морфологією тварин, рідкісними, зникаючими та вимерлими видами; роботи щодо охорони природно-заповідного фонду України та розширення мережі природоохоронних території.

З метою збору наукового матеріалу, з 1997 року, співробітники Музею спільно з кафедрою зоології здійснюють щорічні польові експедиції на територію Західного Полісся (Волинська і Рівненська область). З 1999 року, при Музеї працює громадська організація «Західно-Українська орнітологічна станція», яка займається дослідженням орієнтації та міграцій птахів, методом кільцювання. На сьогодні закільцьовано близько 36 тисяч птахів понад 100 видів.

У жовтні 2005 року, співробітниця музею Оксана Гнатина, спільно з колегами з Гданського університету взяла участь в експедиції до Єгипту, у Середню дельту Нілу, де проводили дослідження міграцій європейських птахів та вивчення їхнього фізіологічного стану.

Волонтери музею, співробітники кафедри зоології ЛНУ ім. Івана Франка та вітчизняні науковці постійно поповнюють колекції Музею цікавими зразками привезеними з багатьох країн Європи, а також з Антарктиди, Північної Америки тощо.

Музей співпрацює з Державним природознавчим музеєм НАН України (Львів) та Національним науково-природознавчим музеєм НАН України (Київ), а також, зі всіма зоологічними музеями університетів України; із Зоологічним музеєм МДУ ім. Ломоносова (Москва), Зоологічним музеєм ЗІН (Санкт-Петербург), Алеутським музеєм (о. Берінга, Росія), Музеєм натуральної історії у Лондоні (Англія), Шведським природничим музеєм у Стокгольмі, з Українським центром кільцювання птахів (Інститут зоології НАН України), Гданським університетом та Гданською орнітологічною станцією (Польща).