В своих трудах Ф. А. Зеленогорский обратился к анализу взаимоотношения опытного и теоретического в науке, развития философских и научных методов. Он изучал работы известных западных философов Э. Гартмана, А. Шопенгауэра, Ф. Ланге и других. Исследование привело его, в частности, к выводу, что метод Декарта есть строго научный и эффективный, что нашло отражение в его докторской диссертации. Известность получила его работа «Очерк развития психологии с Декарта до настоящего времени» (1885). Его интересовали также проблемы развития и идея прогресса. Несколько позже он перешел к античной тематике; особенно привлекало его учение Платона и Аристотеля о «божественном уме» и «целесообразности в природе». В журнале «Вера и разум» в 1884–1891 гг. он опубликовал ряд статей по истории древней философии. В последние годы жизни Ф. А. Зеленогорский работал над историей философской кафедры в Харьковском университете, в особенности над учением известного немецкого философа Иоганна Шада, в начале XIX века руководившего этой кафедрой.