В истории научных исследований до создания заповедника можно выделить два этапа.
Первый из них был начат в дореволюционное время, продолжен в советские годы и связан изучением строения торфяной залежи и определения запасов торфа. Необходимость геологических и геоморфологических исследований в то время была вызвана потребностью народного хозяйства страны в разработке и освоении новых месторождений полезных ископаемых, а также с изучением возможности осушения болота для создания земель, пригодных для сельского хозяйства. В конце 20-х – начале 30-х годов прошлого столетия на территории Полистово-Ловатской болотной системы были проведены геолого-геоморфологические исследования на средства Ленинградского отделения Научно-исследовательского торфяного института.
Первые исследования восточного Псковского болотного района были выполнены в 1909 – 1914 гг., во главе работ стоял В. Н. Сукачев. Работы проводились его учениками, прежде всего Р. И. Аболиным, который составил эпигенологическую классификацию болот (Аболин,1914). Заслуживает внимания работа Какса (1914), в которой подчеркивается значение водного фактора для верховых болот.
Советский период изучения Полистово-Ловатской болотной системы начался в 1928 г. Большую организационную роль в нем сыграл Д.А. Герасимов. В результате дождливого лета в Псковской области наступил неурожай. Население деревень, расположенных в болотном массиве, вынуждено было прибавлять к муке перемолотый сфагнум, что вызывало желудочные заболевания.
Были организованы большие работы по нивелировке болот на правобережье р. Полисти и по спрямлению и углублению русла этой реки. Исследованиями болот левобережья р. Полисти руководила З. Н. Смирнова, работы на правобережье возглавляла И. Д. Богдановская-Гиенэф. Материалы З. Н. Смирновой погибли во время Великой отечественной войны и работы остались незавершёнными. Исследования И. Д. Богдановской-Гиенэф были опубликованы в виде монографии «Закономерности формирования сфагновых болот верхового типа на примере Полистово-Ловатского болотного массива» (И. Д. Богдановская-Гиенэф, 1969). В работе дана характеристика растительности и строения торфяной залежи болотного массива, показано, что современное распределение растительных группировок и их смена в прошлом, а, следовательно, и строение торфяной залежи определяются, прежде всего, гидрологическими факторами.
Первые ботанические и геоботанические исследования были проведены параллельно с геологическими. На основании наблюдений на Полистово-Ловатском массиве Р. И. Аболин дал описание болотных форм сосны (Аболин, 1915). Подробная характеристика растительности дана в работе И. Д. Богдановской-Гиенэф.
Второй этап был связан непосредственно с проектированием и созданием государственного природного заповедника, определением границ особо охраняемой природной территории. В начале 90-х годов начались работы по проектированию государственного природного заповедника, которые координировал Государственный комитет по экологии Псковской области (сейчас Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Псковской области).
Организацией, проводившей работы, была проектно-изыскательная экспедицией ЦНИЛ Департамента по охране и рациональному использованию охотничьих ресурсов на основании договора с Федеральным экологическим фондом (от 14.05.1993 № 12). Научным руководителем работ был д.б.н. В. В. Дежкин, начальником проектно-изыскательной партии – ведущий специалист В. М. Злобин. В состав партии вошли специалисты различных областей науки: В. Г. Сморкалов, зоолог к.б.н. А. Л. Мищенко, ботаник О. М. Суханова, картограф В. В. Журавлёва. Ими было описаны и нанесены на карту границы заповедника, даны основные физико-географические характеристики охраняемой природной территории, составлены первые списки флоры и фауны заповедника.