Vermeulen, die een onderzoeksgroep bij het Oncode Institute leidt, bestudeert hoe ontsporingen in het genetische materiaal van stamcellen darmkanker kunnen veroorzaken. Daarbij focust hij zich specifiek op de vroegste ontwikkeling van tumoren. Hij combineert biochemie en genetica met wiskundige en natuurkundige modellen om de dynamiek van stamcellen in kaart te brengen. Met zijn vernieuwende benadering heeft hij een grote bijdrage geleverd aan fundamentele concepten binnen de moleculaire oncologie.
Eerder verwierf Vermeulen een ERC Starting Grant en een Vidi-subsidie van NWO. In 2017 ontving hij een Investigator Award ter hoogte van 1,5 miljoen dollar van de New York Stem Cell Foundation.