Les questions de recherche traitées dans les expérimentations système peuvent être de nature différente selon les dispositifs. Ainsi, ont été recensées les questions associant :

Les sciences biotechniques et écologiques :

•  durabilité de systèmes agricoles économes en intrants : "Quelle est la durabilité de systèmes agricoles utilisant peu d’intrants ?"; "Quelles sont les performances des systèmes agricoles économes en intrants ?"
•  combinaisons de pratiques permettant une production agricole avec peu d’intrants : "Comment combiner différentes pratiques de manière cohérente pour atteindre l’objectif visé ?"

Les sciences biotechniques et les sciences sociales :

•  prises de décision dans la conduite d’un système agricole innovant : "Comment se prend la décision ? quelles en sont les raisons ? quelles ressources/indicateurs sont mobilisés ? quelles logiques d’action peut-on formaliser pour conduire un système complexe ?"
•  acceptabilité des systèmes agricoles par les agriculteurs, les filières, les acteurs des territoires : "Quels risques prend-on à diminuer l’usage d’intrants ? Sont-ils acceptables d’un point de vue économique ? Quelles conséquences de l’introduction d’innovations dans un bassin de production ?"
• apprentissages et les changements de métiers liés à la mise en place d’innovations

D'autres questions peuvent être d'ordre méthodologique :

"Comment bâtir un système agricole en rupture avec l’existant ?"; "Quels sont les outils de diagnostics nécessaires à son évaluation ?"; "Comment conduire une évaluation multicritère de la durabilité du système ?"; "Quelles spécificités des démarches d’expérimentation système en fonction des types de production et des niveaux d’organisation ?"