ศาสตราจารย์ ดร.ประมวล ตั้งบริบูรณ์รัตน์ เข้ารับราชการเป็นอาจารย์ในภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2534 ได้รับแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งผู้ช่วยศาสตราจารย์ ในปี พ.ศ. 2537 ตำแหน่งรองศาสตราจารย์ เมื่อ พ.ศ. 2540 และได้รับโปรดเกล้าฯ ตำแหน่งศาสตราจารย์ เมื่อปี พ.ศ. 2547

ศ.ดร.ประมวล ตั้งบริบูรณ์รัตน์ ศึกษาวิจัยและพัฒนายางธรรมชาติเพื่อให้ได้ความรู้พื้นฐานที่ผิวของอนุภาคยางในน้ำยางธรรมชาติและสามารถนำอนุภาคยางธรรมชาติไปใช้ในรูปแบบใหม่ ๆ โดยได้รับทุนอุดหนุนการวิจัยจากมหาวิทยาลัยมหิดล ทุนโครงการวิจัย พัฒนาและวิศวกรรม สาขาอุตสาหกรรมยาง จากศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ทุนจาก Eno Science Foundation (Japan) ทุนพัฒนานักวิจัย (เมธีวิจัย สกว.) พ.ศ. 2538-43 และทุนองค์ความรู้ใหม่ที่เป็นพื้นฐานต่อการพัฒนา (วุฒิเมธีวิจัย สกว.) พ.ศ. 2544-50 จากสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) ได้รับรางวัลนักวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่ ประจำปี พ.ศ. 2539 ของมูลนิธิส่งเสริมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในพระบรมราชูปถัมภ์ ได้รับคัดเลือกให้ได้ทุนเผยแพร่ผลงานวิจัยในต่างประเทศสำหรับนักวิจัยที่มีผลงานดีเยี่ยม จาก สกว. ใน ปี พ.ศ. 2540 ต่อมาเมื่อ พ.ศ. 2542 ผลงานวิจัยได้รับคัดเลือกให้เป็น1 ใน 15 ผลงานวิจัยดีเด่นของ สกว. ในปี พ.ศ. 2550 ได้รับทุนวิจัย “เพื่อสตรีในงานวิทยาศาสตร์” ลอริอัลประเทศไทย สาขาวัสดุศาสตร์ (L’OREAL-UNESCO Fellowship for Women in Science) และได้รับทุนส่งเสริมกลุ่มวิจัย (เมธีวิจัยอาวุโส สกว.) ประจำปี พ.ศ. 2551 จาก สกว. ร่วมกับสำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา (สกอ.)

นอกจากนั้น ในปี พ.ศ. 2545-47 ได้ทำหน้าที่ผู้ประสานงานโครงการเจียระไนเพชร ฝ่ายวิชาการ สกว. ปี พ.ศ. 2546-49 เป็นเลขานุการคณะกรรมการบริหารมูลนิธิบัณฑิตยสภาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศไทย (บวท.) ปี พ.ศ. 2548 เป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการพัฒนากำลังคน ศูนย์บริหารจัดการเทคโนโลยี (ศจ.) ต่อมาในปี พ.ศ. 2549-51 ดำรงตำแหน่งรักษาการรองผู้อำนวยการ ศจ. และรักษาการผู้ช่วยผู้อำนวยการ สวทช. และในระหว่างเดือนตุลาคม พ.ศ. 2549 ถึงกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2551 ปฏิบัติหน้าที่เลขานุการรัฐมนตรีกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ปัจจุบันทำหน้าที่กรรมการกลั่นกรองวิชาการ สถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ กรรมการพิจารณาตำแหน่งทางวิชาการ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลพระนครและวิทยาลัยนอร์ทกรุงเทพ กองบรรณาธิการวารสารของมหาวิทยาลัยหัวเฉียวเฉลิมพระเกียรติ กรรมการและผู้ช่วยเลขานุการมูลนิธิส่งเสริมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในพระบรมราชูปถัมภ์ กรรมการบริหาร บวท. กรรมการและเลขานุการคณะกรรมการรางวัลวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มูลนิธิโทเร เพื่อการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ ประเทศไทย