Основная область научных исследований Тинбергена – поведение животных в естественных условиях. Вместе с К.Лоренцем и К.Фришем Тинберген создал учение об инстинктивном поведении животных и его развитии в онто- и филогенезе. Изучал роль стимулов в групповом поведении животных (пчел, рыб, чаек), избирательную реакцию на факторы среды, взаимосвязь приобретенных и врожденных поведенческих компонентов, эволюцию поведения и приспособительные функции. Наблюдения за животными Тинберген пытался использовать для объяснения природы агрессивности человека, полагая, что это качество возникло у человека в те времена, когда он начал охотиться и употреблять в пищу мясо. Среди работ Тинбергена – Изучение инстинкта (The Study of Instinct, 1951); Социальное поведение животных (Social Behavior in Animals, 1953; рус. перевод 1993); Мир серебристой чайки (Herring Gull's World, 1953, 2-е изд. 1961; рус. перевод 1974); Любопытные натуралисты (Curious Naturalists, 1958); Поведение животных (Animal Behavior, 1965; рус. перевод 1985). Умер Тинберген в Оксфорде 21 декабря 1988.