Целенаправленное изучение района, включающего территорию заповедника, началось с середины 60-х годов. В 1963-1966 г.г. сотрудник БИНа,  геоботаник и географ Д.Н. Сабуров исследовал леса на территории Пинежского и Карпогорского лесхозов, опубликовав результаты работ в виде монографии “ Леса Пинеги”.

В те же годы начато исследование пещер и карста района ленинградскими спелеологами (Ленинградское отделение ГО) во главе с  В.М. Голодом, в постановке задач и обобщении результатов участвовал Д.Н. Сабуров. Всего  в течение 8 лет проведено более 20 экспедиций, открыто, изучено и картировано более 130 пещер общей протяженностью около 30 км.

В 60-70 годы под руководством профессора ЛГУ А.И. Толмачева проводилось флористическое изучение территории ботаниками Ленинградского Государственного университета.

Первоначально по проекту Ботанического института под заповедник предполагалось выделить 172 тыс. га в междуречье  Келды, Сотки, Пинеги. В 1973 году по ходатайству Архангельского облисполкома  Главное управление охотничьего хозяйства при СМ РСФСР организовало на Пинегу проектно-изыскательскую экспедицию во главе со старшим инженером-охотоведом Б. П. Иващенко с целью выполнения биолого-экономического обследования и выявления возможности организации комплексного заповедника. В этом же году поставленная задача была выполнена, а возможность и целесообразность создания Пинежского заповедника доказана. Но принятый за основу вариант проекта организации заповедника, разработанный БИНом, претерпел в ходе многочисленных согласований значительные изменения. Заповедование 172 тыс. га влекло за собой изъятие из рубок более 17 млн. м³ древесины, против него категорически выступили лесозаготовительные предприятия. Предложенный ими в качестве альтернативы вариант создания заповедника площадью 105 тыс. га на обоих берегах р. Пинеги не нашел поддержки сельскохозяйственных предприятий и исполкомов сельских советов. В результате, в качестве окончательного решения был принят вариант организации заповедника в пределах участка, предложенного БИНом, но на площади 41422 га, т.е. в 4 раза меньшей.

Дальнейшее формирование заповедного комплекса происходило следующим образом: 

Июль 1984 г. Создается охранная зона шириной от 2 до 4 км вдоль северной, западной и южной границ заповедника. 

Январь 1991 г. Охранная зона создается вдоль восточной границы заповедника и по реке Сотка в пределах водоохранных полос. Рубки леса главного пользования, а также строительство новых предприятий и хозяйственных объектов в километровой полосе вдоль всех границ заповедника запрещаются.

Сентябрь 1992 г. По инициативе заповедника образован и передан в его ведение комплексный заказник “Голубинский” площадью 1204 га. (Закрыт Решением депутатов областного Собрания в мае 2005 г.). На территорию заказника распространялся режим охранной зоны и режим водоохранной полосы реки Пинеги, запрещался самостоятельный туризм и посещение пещер. 

Март 1996 г. Заповедник получает в долгосрочную аренду (на 50 лет) в научно-исследовательских целях участки лесного фонда общей площадью 80 489 га вдоль западной и южной границ. 

Август 1996 г. Территория заповедника увеличивается на 10 278 га за счет присоединения к нему типичных для Архангельской области участков лесного фонда Холмогорского лесхоза. 

Сентябрь 1997 г. Вдоль новой границы заповедника создается охранная зона. Рубки леса главного пользования в ее пределах запрещаются в 500-метровой полосе вдоль заповедника.