Van Vuuren is internationaal actief als wetenschapper op het gebied van mondiale duurzaamheidsvraagstukken. In zijn onderzoek ontwikkelt hij modellen waarmee toekomstige klimaat- en milieuveranderingen kunnen worden verkend door middel van klimaatscenario’s. Hij houdt daarbij rekening met de wisselwerking tussen klimaat, milieu, leefomgeving en economie.

Van Vuuren is actief als bestuurslid en onderzoeker bij verscheidene internationale onderzoeksorganisaties naar duurzaamheid en klimaatmodellen, zoals het IAMC en het ISIMIP. Ook werkte hij mee aan de klimaatscenario’s van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), het klimaatpanel van de Verenigde Naties.

Daarnaast is van Vuuren werkzaam als senior onderzoeker bij Planbureau voor de Leefomgeving (PBL). Het PBL is het nationale instituut voor beleidsanalyse op het gebied van milieu, natuur en ruimte, op basis van wetenschappelijk onderzoek.

Van Vuuren schreef artikelen in verscheidene wetenschappelijke tijdschriften, zoals Nature en Science, en behoort wereldwijd tot een van de meest geciteerde onderzoekers in verschillende wetenschappelijke disciplines.