Vermeulen onderzoekt omgevingsfactoren die het risico vergroten op onder andere kanker, astma, of neurologische ziekten. De niet-genetische factoren die hij onderzoekt, worden het exposoom genoemd. Samen en in interactie met elkaar beïnvloeden ze onze gezondheid. Denk hierbij bijvoorbeeld aan wat we eten en drinken, de lucht die we inademen, onze sociale interacties en leefstijlkeuzes zoals roken en lichaamsbeweging.

Vermeulen is daarnaast directeur van het Institute for Risk Assessment Sciences (IRAS), een interfacultair onderzoeksinstituut van de faculteiten Diergeneeskunde en Geneeskunde van de Universiteit Utrecht dat onderzoek doet naar gezondheidsrisico’s door blootstelling aan ziekteverwekkers en mogelijk schadelijke stoffen.