Целенаправленные исследования этого редчайшего вида ведутся с конца 1980-х годов. Их началом стала неожиданная находка размножающейся пары в бассейне реки Иман (Большая Уссурка) — в районе, где вид считался давно исчезнувшим. Последующие специальные поиски выявили и другие места его обитания, что существенно изменило представления о современном состоянии вида и дало основание для дальнейшего расширения исследований.
За прошедшие десятилетия было проведено множество экспедиций, направленных на уточнение современного ареала, оценку численности популяции и изучение особенностей биологии рыбного филина. Выполнены сотни часов наблюдений на гнёздах и в местах добывания пищи, получены уникальные фото- и видеоматериалы, а также прослежена судьба птиц, помеченных цветными кольцами и GPS-метками. В исследованиях принимали участие профессиональные орнитологи, фотографы, видеографы и любители птиц, объединённые интересом к сохранению этого редкого хищника.
Среди ключевых этапов работы — обследование бассейна реки Иман в 1988–1989 годах, поиски вида на реках Восточного Сихотэ-Алиня, где в 1997 году было впервые подтверждено гнездование в Ольгинском районе Приморского края, а также последующие системные обследования рек Северо-Восточного Приморья. В 2005–2007 годах проводились круглогодичные экспедиции в бассейне реки Самарга, в ходе которых было установлено, что вид здесь достаточно обычен, а численность местной группировки сопоставима с крупнейшими материковыми резерватами. В 2007–2012 годах изучались аспекты территориальности с использованием GPS-мечения, а в 2016–2021 годах оценивалась роль особо охраняемых природных территорий в сохранении вида.
Отдельное направление исследований было связано с изучением гнездовой биологии, кормового поведения и репродуктивного потенциала рыбного филина. Благодаря ночному видеонаблюдению и сотрудничеству с российскими и зарубежными специалистами были получены редкие кадры ночной рыбалки и другие уникальные материалы, позволившие уточнить рацион, особенности охоты, поведение взрослых птиц и выкармливание птенцов. Эти данные стали важной основой для дальнейших природоохранных мероприятий. В том числе были реализованы проекты съёмок совместно с ВГТРК, фильм «Разыскивается филин» на канале «Живая планета», а также серия фильмов Wild Russia совместно с National Geographic.
В настоящее время исследования продолжаются при поддержке Президентского фонда природы (проект «Ревизия материковой популяции рыбного филина в Приморском крае») и Фонда защитников природы (проект «Спасти рыбного филина»), что позволяет расширять масштабы работ и углублять понимание экологии этого уникального вида.