Louis Vermeulen richt zich in zijn onderzoek op het colorectaal carcinoom en de identificatie van darmkankersubtypen, wat van belang is voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen. Daarnaast richt hij zich op stamceldynamiek in de gezonde darm en bestudeert hij de ontwikkeling van deze stamcellen naar colorectaal carcinoom.

Als hoogleraar gaat hij zich bezighouden met het ontwikkelen van classificatiestrategieën voor darmkankerpatiënten en het ontwikkelen van subtype-specifieke behandelingsmethoden. Daarnaast zal hij preklinische modellen ontwikkelen om de effectiviteit te kunnen toetsen van nieuwe behandel- en preventiestrategieën door kwantitatieve methoden te gebruiken in combinatie met biologische modelsystemen.

Vermeulen leidt bachelor- en masterstudenten op binnen het Laboratory for Experimental Oncology and Radiobiology (LEXOR) van het AMC, begeleidt onderzoekers en is betrokken bij het onderwijs van de Onderzoeksschool Oncologie Amsterdam.

Vermeulen is in opleiding tot medisch specialist bij de afdeling Inwendige Geneeskunde/Oncologie in het AMC. Hij is themaleider Cancer Biology bij het Cancer Center Amsterdam van AMC  en VUmc. Vermeulen verwierf verschillende subsidies, waaronder een Vidi van NWO, een Starting Grant van de European Research Council (ERC) en een Investigator Award van de New York Stem Cell Foundation. Hij is medeorganisator van de Young Investigators Meeting van de Europese Vereniging voor Gastroenterologie.