La investigación de Felipe Barrera-Osorio examina cómo los incentivos educativos afectan los resultados de aprendizaje de estudiantes de primaria y secundaria en diversos contextos globales. Utiliza métodos de identificación —como la asignación aleatoria, diseños de discontinuidad de regresión, diferencias en diferencias y variables instrumentales— para determinar los efectos causales de los programas educativos en una amplia gama de resultados. Su trabajo abarca África, Asia y América Latina, con estudios de caso específicos que incluyen programas de incentivos para docentes y sistemas de rendición de cuentas en Punjab, Pakistán; la provisión privada de educación pública en Uganda y Pakistán; y la formación pedagógica en Uganda. Actualmente investiga los efectos de la provisión privada de educación pública en Bogotá, Colombia.

Entre 2004 y 2006, fue economista sénior en el Banco Mundial, donde contribuyó a las evaluaciones de impacto de programas educativos en diversos países. Entre 2007 y 2022, formó parte del comité ejecutivo de la Red de Evaluación de Impacto de LACEA, que ayudó a fundar. En 2008, recibió la Medalla Juan Luis Londoño a la investigación en educación, otorgada cada dos años a economistas colombianos menores de 40 años. Es miembro afiliado de J-PAL e investigador asociado del IZA.