В область научных интересов Ф. П. Филина входили история русского и других славянских языков, лексикология и лексикография. Он исследовал проблемы этногенеза славян, русской диалектологии и лингвистической географии, общего языкознания и социолингвистики, развития, структур и функций, стилевых разновидностей литературных языков, их историко-сопоставительного изучения. За книгу «Происхождение русского, украинского и белорусского языков. Историко-диалектологический очерк», представляющую собой итог многолетней работы автора в области истории восточнославянских языков, Президиумом Академии наук СССР Ф. П. Филину была присуждена Премия им. А. С. Пушкина за 1977 г.