Neben der Erfassung und Dokumentation der Kulturdenkmale ist deren Erforschung eine zentrale Aufgabe der Denkmalpflege in Sachsen. Das Landesamt leistet Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu Theorie, Methode und Technologie der Denkmalpflege. Diese findet in diversen Forschungsprojekten und Kooperationen mit Forschungseinrichtungen statt. Einige dieser Projekte werden durch Drittmittel finanziert, zum Beispiel durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU). Andere erwachsen aus der täglichen denkmalpflegerischen Arbeit. Dabei arbeiten die verschiedenen Fachbereiche und Spezialisten des Landesamtes zusammen. Ein wichtiger Partner bei der naturwissenschaftlichen Forschung und Untersuchungen in der Denkmalpflege ist hierbei das Institut für Diagnostik und Konservierung an Denkmalen in Sachsen und Sachsen-Anhalt e.V. (IDK). Eine lange Tradition besitzt die enge Zusammenarbeit des Landesamtes mit Hochschulen wie der Technischen Universität Dresden und der Hochschule für Bildende Künste hat. Die Ergebnisse der Forschungen werden regelmäßig in Fachtagungen und Publikationen veröffentlicht und so der Öffentlichkeit und der Fachwelt zugänglich gemacht.