Willem Mulder is gespecialiseerd in de nanogeneeskunde. Hij past deze toe bij de diagnose en behandeling  van hart- en vaatziekten en kanker. Deze toepassing is tweeledig. Met behulp van nanotechnologie kunnen ziekteprocessen specifieker en in een vroegtijdig stadium op moleculair niveau worden geïdentificeerd. Verder biedt nanotechnologie een behandelingsplatform dat ziektes kan opsporen en lokaal behandelen, zonder daarbij gezonde weefsels aan te tasten.

Mulder leidt een onderzoeksgroep in New York. Hij heeft daar in preklinische studies aangetoond dat schadelijke ontstekingen in de vaatwand van atherosclerotische diermodellen met behulp van nanotechnologie op een unieke manier kunnen worden gediagnostiseerd en behandeld. Op het AMC werkt Mulder aan de vertaalslag naar de kliniek en is hij betrokken bij de eerste nanotherapeutische trials in patiënten met hart- en vaatziekten. Tevens ontwikkelt hij nieuwe beeldvormende protocollen die beter inzicht geven in ziekteprocessen.

Mulder is verbonden aan de Icahn School of Medicine at Mount Sinai (New York, VS) en geeft daar leiding aan het Nanomedicine Laboratory. Sinds 2012 is Mulder ook werkzaam binnen de afdeling Experimentele Vasculaire Geneeskunde van het AMC. Van het National Institute of Health (NIH) ontving hij meerdere onderzoekssubsidies voor de ontwikkeling van nanogeneeskunde voor vasculaire ziekten en oncologie. Recent heeft de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) een Vidi-subsidie aan hem toegekend. Mulder heeft meer dan 80 wetenschappelijke publicaties in toonaangevende wetenschappelijke tijdschriften op zijn naam staan, onder meer in Nature Reviews Drug Discovery, Nano Letters, Nature Nanotechnology en ACS Nano.