Флористические и геоботанические работы на территории музея-заповедника проводятся с конца 90-х годов. С 2001 года ученые из Санкт-Петербурга наблюдают за происходящими изменениями растительности. Главным объектом мониторинга является широкая балка Голая, по дну которой проходит южная граница музея-заповедника.

Задачей ботаников в заповеднике является изучения флористических комплексов (меловых, лесных, балочных, пойменных, придорожных и других) и растительности во всём её разнообразии. Растительные сообщества являются основным структурным элементом растительного покрова, они же формируют ландшафтное «лицо» территории, а изменения фитоценотических параметров говорят о годичных флуктуациях и многолетних тенденциях развития сообществ, а так же о климатических подвижках. Для науки также интересны скорость и этапы восстановления растительности на нарушенных местах.

В настоящее время ботаники продолжают инвентаризацию и картирование флоры всех участков, изучают структуру растительных сообществ, структуру и динамику микропопуляций редких растений (проломника Козо-Полянского, ириса безлистного, левкоя душистого, ломоноса цельнолистного, шиверекии подольской), ведут постоянное наблюдение за состоянием флоры.

В полевом сезоне 2014 года начались научно-исследовательские работы по изучению растительного покрова байрачных дубрав урочища Толстая балка сотрудниками кафедры ботаники и микологии Воронежского государственного университета. Проводятся маршрутные исследования, сбор гербария, выявляются места произрастания редких, сокращающихся в численности и находящихся под угрозой исчезновения видов сосудистых растений, их фотофиксация, установление географических координат, камеральная обработка материалов полевых исследований, составляется аннотированный список флоры.