Les recherches de Felipe Barrera-Osorio portent sur l'influence des incitations éducatives sur les résultats d'apprentissage des élèves du primaire et du secondaire dans divers contextes internationaux. Il utilise des méthodes d'identification – notamment l'assignation aléatoire, les modèles de régression par discontinuité, l'analyse des différences-en-différences et les variables instrumentales – pour mettre en évidence les effets causaux des programmes éducatifs sur un large éventail de résultats. Ses travaux couvrent l'Afrique, l'Asie et l'Amérique latine, avec des études de cas spécifiques portant sur les programmes d'incitation et les systèmes de responsabilisation des enseignants au Pendjab (Pakistan), la privatisation de l'enseignement public en Ouganda et au Pakistan, et la formation pédagogique en Ouganda. Il étudie actuellement les effets de la privatisation de l'enseignement public à Bogota (Colombie).

Entre 2004 et 2006, il a été économiste principal à la Banque mondiale, où il a participé à l'évaluation d'impact de programmes éducatifs dans de nombreux pays. De 2007 à 2022, il a siégé au comité exécutif du Réseau d'évaluation d'impact de LACEA, qu'il a contribué à fonder. En 2008, il a reçu la médaille Juan Luis Londoño pour ses recherches en éducation, décernée tous les deux ans à des économistes colombiens de moins de 40 ans. Il est membre associé du J-PAL et chercheur associé de l'IZA.