Главные направления научных исследований:
Проблемы уголовно-процессуального права, общей теории криминалистики, криминалистической тактики и методики, судебной экспертизы и оперативно-розыскной деятельности.
Является признанным главой советской (и российской) криминалистики и судебной экспертизы. Им создана концепция общей теории криминалистики, предложено современное определение предмета науки, сформулирован ряд концептуальных понятий криминалистической тактики, в том числе разработаны основы теории и практики следственного эксперимента, сделан существенный вклад в формирование общей теории судебной экспертизы. Научная криминалистическая школа профессора Р. С. Белкина начала формироваться в конце 60-х гг. прошлого века, в основе ее лежала концепция отраження как гносеологического фундамента криминалистической науки.
В 1977 – 1979 вышел в свет первый в отечественной науке фундаментальный 3-томный «Курс советской криминалистики». Идеи и концепции Курса получили дальнейшее развитие в работах 1986 – 1988 («Общая теория советской криминалистики» (1986), «Криминалистика: проблемы, тенденции, перспективы» (в 2 т, 1987/1988). В этих трудах детально рразработана общая теория криминалистики, особенно такие ее разделы, как учение о методах, систематике и языке криминалистики, а также сформулированы основные положения ряда частных криминалистических теорий: криминалистической теории причинности, розыска, механизма преступления, криминалистической регистрации, криминалистического прогнозирования, выдвинута идея о необходимости разработки теории временных отношений и связей. Им обнаружены и описаны законы розвития криминалистики в аспекте общих законов развития научного знания. Предложено пополнить структуру криминалистики еще одним, четвертым, разделом – общей теорией науки.
В последующие годы уделено значительное внимание исследованиям концептуальных основ криминалистической тактики («Очерки криминалистической тактики» (1993). «Фактор внезапности, его учет и использование в расследовании преступлений» (1995)), таким ее категориям, как тактический прием и тактическая комбинация, следственная ситуация, фактор внезапности и др. Значительным событием является издание «Криминалистических энциклопедий» (1993, 1997, 2000), «Словаря справочника по криминалистике» (1999). Были напечатаны 2-е и 3-е издания Курса криминалистики, которые дополнили его новым материалом. Уникальным является труд – «История отечественной криминалистики» (1999). Работы Р. С. Белкина послужили основой для формирования его научной школы. Под его руководством успешно подготовили и защитили диссертации более 120 кандидатов и докторов юридических наук. На базе его концепции общей теории криминалистики выполнены и защищены докторские диссертации А. А. Закатова «Криминалистическое учение о розыске» (1987), его учеников: Г. Г. Зуйкова «Криминалистическое учение о способе совершения преступлений» (1970), Л. Г. Горшенина «Основы теории криминалистического прогнозирования» (1993), В. М. Мешкова «Основы криминалистической теории временных связей» (1995), А. М. Кустова «Теоретические основы криминалистического учения о механизме преступления» (1997), С. Н. Чурилова «Криминалистическое учение об общем методе расследования преступлений», Н. Н. Лысова «Криминалистическое учение о фиксации доказательственной информации» (1997), С. А. Ялышева «Криминалистическая регистрация: проблемы, тенденции, перспективы» (2000). Концепция предмета и общей теории криминалистики, понятие частных криминалистических теорий, сформулированные Р. С. Белкиным, были восприняты и использованы в докторских диссертациях В. Ф. Орловой, Н. П. Майлис, В. А. Образцова, И. А. Возгрина, Н. Г. Шурухнова и др. На основе общей теории криминалистики и учения о методах этой науки сформулировали свои концепци общей теории судебной экспертизы и учения о методах этой теории и практической экспертной деятельности Т. В. Аверьянова и Е. Р. Россинская, они были использованы в докторских диссертациях И. А. Алиева, С. Ф. Бычковой, Е. И. Майоровой и их монографиях. Р. С. Белкин имеет более 300 научных трудов по криминалистике, уголовному процессу и теории судебной экспертизе (индекс цитирования которых один из самых высоких среди ученых-криминалистов), в том числе 25 монографий, переведенных на английский, немецкий, венгерский, польский, чешский, болгарский и др. Р. С. Белкин является соавтором и под его редакцией написано 23 учебника по курсу «Криминалистика» для высших и средних учебных заведений. Он также является автором многих научно-художественных книг о работе следователя и эксперта: «Не преступи черту!» (1979), «Сквозь завесу тайны» (1989), «Равен самому себе» (1991), ««Скучная» криминалистика» (1993), «Професия – следователь» (1995, 1998) и др. Имя профессора Р. С. Белкина присвоено кафедре криминалистики МФПА. В Академии управления МВД РФ создан мемориальный кабинет-музей Р. С. Белкина. Роли и значению деятельности профессора Р. С. Белкина были посвящены юбилейные научные конференции (Воронеж, 2002; Москва, 2002, 2007, 2012). В Казахском Национальном ун-те им. аль-Фараби и в Академии управления МВД России проводятся Белкинские криминалистические чтения. Дочь Р. С. Белкина – Елена Рафаиловна Россинская – видный российский ученый-криминалист, доктор юридических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, директор Института судебных экспертиз, заведующая кафедрой судебных экспертиз МГЮА им. О. Е. Кутафина. Сын Р. С. Белкина – Анатолий Рафаилович Белкин – видный российский ученый-процессуалист, доктор юридических наук, профессор кафедры уголовного права, процесса и криминалистики МГУПИ.