Vermeulen doet onderzoek naar omgevingsfactoren die het risico vergroten op onder andere kanker, astma, of neurologische ziekten. In zijn onderzoek ligt de nadruk op de ontwikkeling van verbeterde methoden om blootstelling aan zulke factoren te meten onder andere door het gebruik van moleculaire kenmerken, om beter te kunnen bepalen wanneer iets de oorzaak is van een ziekte. Hij is hoofdonderzoeker van verschillende grote case-control- en prospectieve studies onder beroepsbevolking en de algemene bevolking. Daarnaast is Vermeulen lid van vele internationale commissies, waaronder de WHO en het National Toxicology Program in de VS en van de Nederlandse Commissie van Deskundigen voor Arbeidsnormen van de Nederlandse Gezondheidsraad.