הלימודים במדרשת פיינברג מתנהלים במסגרת בתי ספר למחקר.

עד עתה הוכרזו ארבעה מתוך חמשת בתי-הספר: ביה"ס למחקר במדעי הכימיה על-שם סולו דואק ומאוריציו דואק; בית ספר למחקר במדעי הביוכימיה על-שם לורי לוקיי; בית ספר למחקר במדעי הביולוגיה על-שם אקארד; ביה"ס למחקר במתמטיקה ובמדעי המחשב על-שם מורוס.

דיקן המדרשה ממנה לכל בית ספר מנהל וכן ועדת הוראה. כל מנהל בית ספר מרכז את פעולותיה של ועדת ההוראה שבאחריותו, כולל התווית תוכניות לימודים, דיון בקבלת תלמידים לבית הספר ובהערכת הישגיהם. בתי הספר נועדו לשמש מסגרות תומכות בחינוך המדעי של תלמידי המדרשה ובהתפתחותם האישית כמדענים. למשל, מלגות נסיעה אישיות מאפשרות לתלמידים להשתתף בכנסים ולבקר קבוצות מחקר בחו"ל, ובתוך כך להיחשף לקהילה המדעית הבינלאומית המובילה. במקביל, בתי הספר מעודדים את תלמידיהם לארגן במכון סמינרים מדעיים בינלאומיים אליהם מגיעים מדענים בעלי שם ותלמידי מחקר מחו"ל.