La investigación no es un área diferenciada, sino que sustenta todas las actuaciones del museo, concebido como un ámbito de experimentación multidisciplinar. Proporciona la base interpretativa al estudio de las colecciones y a la presentación de la exposición permanente. Inspira contenidos y enfoques innovadores en sus exposiciones temporales. Da soporte al tratamiento documental de los fondos. Es un requisito previo en la conservación de los edificios del museo, de las obras de arte y en sus campañas de restauración. Fundamenta los análisis relativos al público y los visitantes y la elaboración de sus actividades de formación y sus programas públicos. Y orienta, por último, sus prácticas en el campo de la mediación y la comunicación.
El Museo comparte sus investigaciones acogiendo a expertos y jóvenes investigadores, favoreciendo el acceso a las colecciones, la biblioteca y el archivo e integrándose en redes de colaboración con otros museos, instituciones y grupos de investigación. Actualmente nuestras líneas de investigación se centran en los siguientes proyectos:
En el año 2018 el Ministerio de Cultura y Deporte adquirió con destino a este Museo un conjunto de 635 placas de vidrio que pertenecieron a los herederos de D. Ubaldo Torquemada, conserje del Museo Provincial de Bellas Artes desde 1899 hasta su fallecimiento en 1921. Durante este tiempo tuvo una amplia y reconocida participación en la vida del centro, destacando en su labor como fotógrafo. Se convirtió así en uno de los primeros divulgadores de las esculturas del Museo de Valladolid, ya que multitud de revistas españolas y extranjeras han publicado sus reproducciones.
Actualmente está en marcha un proyecto articulado en dos fases. La primera consistirá en la identificación de las placas para su catalogación, mientras que la segunda pretende abrir varias líneas de estudio que arrojen nuevos datos de interés sobre la historia de la fotografía en el Museo Nacional de Escultura.
El Laboratorio Permanente de Público de Museos es un proyecto permanente de investigación, formación y comunicación sobre temas relacionados con el público de los museos estatales, puesto en marcha en 2008 desde el Ministerio de Cultura y Deporte. Dentro del primer gran ciclo de investigaciones que ha llevado a cabo se incluye precisamente el estudio sobre el perfil de público del Museo Nacional de Escultura, cuya revisión ha sido publicada en 2021.
El Museo conserva una valiosa documentación histórica, desde los años de la desamortización de Mendizábal hasta nuestros días, que constituye una fuente de investigación imprescindible para profundizar en el conocimiento de su origen y su historia. Inventarios de recogida de bienes, memorias de la institución o documentación gráfica sirven para ilustrar la trayectoria del Museo, cuya labor investigadora contempla en la actualidad la digitalización de gran parte de estos documentos para ponerlos al alcance de la ciudadanía.