ผศ.ดร. ธีรเกียรติ์ เกิดเจริญ มีความเชี่ยวชาญพิเศษในสาขา Nanoscale Theory, Modeling and Simulation (บางครั้งถูกอ้างถึงในชื่อของ Computational Nanotechnology) ซึ่งสาขาดังกล่าวกำลังจะกลายเป็นสาขาวิจัยเชิงกลยุทธ์ ที่เป็นที่สนใจของหลาย ๆ ประเทศ เนื่องจากเทคโนโลยีทางด้านนี้มีบทบาทสำคัญยิ่ง ในการก่อกำเนิดของนาโนเทคโนโลยี งานวิจัยครอบคลุมตั้งแต่การพัฒนาระเบียบวิธีเชิงคำนวณ การสร้างโค้ดคอมพิวเตอร์ ไปจนถึงการประยุกต์ใช้งานเทคโนโลยีเชิงคำนวณเหล่านี้ กับระบบที่นาโนเทคโนโลยีกำลังให้ความสนใจ งานประยุกต์ดังกล่าวนั้นก็มี จุดนาโนมิติศูนย์ (เช่น บัคกี้บอล) โครงสร้างนาโนหนึ่งมิติ (เช่น ท่อนาโนของคาร์บอน และโพลิเมอร์นำไฟฟ้า) อิเล็กทรอนิกส์เชิงโมเลกุล สสารสภาพควบแน่นแบบอ่อน และโมเดลของโปรตีน ระเบียบวิธีเชิงคำนวณอย่างหนึ่งที่ ดร. ธีรเกียรติ์ ได้คิดค้นและพัฒนาขึ้นเรียกว่า ระเบียบวิธีผสมกลศาสตร์ ควอนตัม/กลศาสตร์โมเลกุล หรือ QM/MM ทั้งนี้ได้พัฒนาเทคนิคนี้ ให้สามารถนำมาใช้กับระบบของสสารสภาพควบแน่นแบบอ่อน อย่างเช่นของเหลว และสารละลายได้เป็นครั้งแรก ซึ่งกลายมาเป็นต้นแบบของการใช้งานโดยกลุ่มวิจัยต่าง ๆ ในเวลาต่อมา เทคนิคนี้ได้พิสูจน์ให้เห็นว่า มีความแม่นยำสูง และได้รับการตอบรับให้เป็นแหล่งอ้างอิงที่เทียบเคียงได้ กับการทดลองโดยใช้รังสีเอ็กซ์และนิวตรอน ที่มีราคาแพงกว่ากันมาก ผศ.ดร. ธีรเกียรติ์ ยังคงพัฒนาเทคนิคนี้ต่อมา ร่วมกับศาสตราจารย์เคอิจิ โมโรคูมา ทำให้ระเบียบวิธีนี้มีความถูกต้อง และเป็นมาตรฐานมากขึ้นภายใต้ชื่อ ONIOM-XSOL เพื่อที่จะสามารถประยุกต์ใช้กับระบบที่ยุ่งยากกว่าเดิม และเป็นที่สนใจในทางชีววิทยา

ผลจากความสำเร็จในงานวิจัยที่ทำนั้นทำให้ ผศ.ดร. ธีรเกียรติ์ ได้รับคัดเลือกให้เป็นนักวิจัยระดับหลังปริญญาเอก ณ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีแห่งมิวนิก สหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมัน โดยการสนับสนุนจากสภาวิจัยเยอรมัน ให้ไปปฏิบัติงานที่มหาวิทยาลัยดังกล่าวเป็นเวลา 1 ปี ระหว่างปี พ.ศ. 2542-2543 ในหัวข้อ "การพัฒนาระเบียบวิธี QM/MM เพื่อใช้ศึกษาระบบที่จัดเรียงตัวเองได้ (Self-Organized and Self-Assembly Nanostructures)" โดยขณะนี้เยอรมันและประเทศยุโรปอื่น ๆ กำลังให้ความสนใจเป็นอย่างสูง กับนาโนเทคโนโลยีของระบบที่จัดตัวเองได้นี้ หลังจากกลับมาจากประเทศเยอรมันแล้ว ผศ.ดร. ธีรเกียรติ์ ก็ได้รับคัดเลือกให้เป็น Cherry L. Emerson Visiting Fellow 2000 / 2001 ณ Emory University ประเทศสหรัฐอเมริกา โดยได้ไปปฏิบัติงานเป็นเวลา 2 เดือน ในหัวข้อการพัฒนาระเบียบวิธี OMIOM-XSOL เพื่อศึกษาระบบสสารควบแน่นแบบอ่อน และงานประยุกต์ไปสู่โปรตีน และได้รับเชิญให้เป็นนักวิทยาศาสตร์เยี่ยมเยียน ณ University of Leipzig ประเทศสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมัน เพื่อศึกษาความร่วมมือในการวิจัยเรื่องท่อนาโนของคาร์บอน