Vandersypen is expert op het gebied van kwantumberekeningen (quantum computing). In zijn lab wordt met behulp van nanofabricatietechnologie gebouwd aan onderdelen voor kwantumcomputers. Een grote uitdaging hierbij is de opschaling van een computer met slechts enkele qubits naar een kwantumcomputer met bruikbare omvang.

Al tijdens zijn promotieonderzoek aan de Universiteit van Stanford was Vandersypen bezig met kwantumberekeningen. Hij trok destijds veel aandacht in de media door een van de eersten te zijn die een aantal kwantumalgoritmes wist te implementeren.

Eerder deed zijn lab ook onderzoek naar het materiaal grafeen, een laagje koolstofatomen van slechts één atoom dik.