철새가 어떻게 방향을 잡고 날아가는지 알아내기 위해 오래전부터 다양한 연구들이 이뤄져 왔으며, 여러 연구를 통해 철새는 길을 찾기 위해 부리, 눈, 귀 등 다양한 감각기관을 통해 지형지물, 태양의 위치, 별자리 모양, 지구자기장 등 다양한 나침반을 이용하는 것으로 밝혀졌습니다.

덴마크 콘펜하겐 대학 연구팀이 전 세계 다양한 지역에 서식하는 782종의 까마귀과 새들의 날개 형태를 분석한 결과 먼 거리를 이동하는 철새의 경우 텃새에 비해 휠씬 날개가 길고 뾰족하여 장거리를 날 수 있게 진화한것 이 확인되었다고 합니다. 지역별로도 적도 부근 열대 우림(텃새가 많은 지역)에 사는 새일수록 날개가 짧고 둥근 비율이 높고, 유럽 등 온대 지역(철새가 많은 지역)에 사는 새들일수록 날개가 길고 뽀족한 비율이 높다고 합니다.

기러기나 가마우지처럼 대형 철새들이 V자 형태로 떼를 지어 나는 이유는 그룹 내 소통이 원활하게 이루어질 수 있으며, 에너지 소모도 20~30% 최소화 할 수 있기 때문인데 2014년 영국 런던대학 연구팀에 의해 공기역학적 원리가 구처젝으로 밝혀지기도 했습니다.

중간기착지로 우리나라를 찾아오는 큰뒷부리도요(뉴질랜드 ~ 알래스카)나 붉은가슴도요(서아프리카 ~ 북극)도 왕복 약 30,000km를 이동하는 대표적인 장거리 철새이지만, 가장 멀리 이동하는 철새는 극제비갈매기(Arctic Tern)입니다. 번식지인 북극에서 월동지인 남극까지 한해 왕복하는 이동거리는 약 96,000km에 해당합니다.

철새들의 뇌의 절반씩 교대로 수면하는 가수면 상태에서 비행하는 것으로 추정하고 있습니다. 흰배칼새(Alpine Swift)는 200일 동안 쉬지 않고 나는 것이 확인되었으며, 검은등칼새(Common swift)는 번식시기를 제외한 10개월 동안 내려앉지않고 날아다니면서 먹고 자는 것이 확인되었습니다.

철새 이동은 번식지와 동면지의 기후와 먹이 변화에 적응하여 진화하는 것입니다. 최근 논문에 따르면, 지구온난화로 인해 봄철 번식지로 떠나는 철새들의 이동시기가 빨라지는 경향을 확인할 수 있으며, 열대지방에 사는 종들은 북쪽으로 서식지가 확대되는 것을 볼 수 있습니다. 우리나라의 경우에도 노랑배진박새나 검은머리직박구리, 붉은부리찌르레기처럼 동남아나 중국 남부에서 서식하고 우리나라에서는 드물게 보이는 종들이 최근에는 과거보다 자주 관찰되는 것이 확인됩니다.