งานวิจัยของศาสตราจารย์ ดร. วิชัย ริ้วตระกูล เป็นงานวิจัยพื้นฐานแบบกำหนดทิศทาง ซึ่งจะมุ่งเน้นทั้งสร้างองค์ความรู้ใหม่ การศึกษาวิจัยในเรื่องที่อาจจะนำผลงานไปใช้ประโยชน์ในเชิงพาณิชย์และเชิงสาธารณประโยชน์ได้ งานวิจัยแบ่งออกเป็นสองส่วน ส่วนแรกคือ การวิจัยพื้นฐานแบบกำหนดทิศทางด้านเคมีอินทรีย์สังเคราะห์ ส่วนที่สองคือ การวิจัยในโครงการ Drug Discovery ซึ่งเป็นการศึกษาแบบกำหนดทิศทาง เพื่อมุ่งเน้นศึกษาและค้นหาสารผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพ จากต้นไม้ที่ขึ้นในประเทศไทย เช่น พืชในสกุล Gardenia, Polyalthia, Garcinia, Ventilago และพันธุ์พืช Ventilago harmandiana, Garcinia speciosa, Garcinia hanburyi, Mallotus spodocarpus, Ochna intergerrima และ Diospyros variegata เพื่อนำมาใช้เป็นสารโครงสร้างนำ (lead structures) ในการพัฒนาเป็นยาต่างๆ อาทิ สารที่มีฤทธิ์แก้อาการอักเสบทั้งชนิดกินและชนิดทา สารฆ่าเซลส์มะเร็ง สารฆ่าเชื้อไวรัสเอชไอวี สารที่มีฤทธิ์ต้านการอักเสบ ฤทธิ์ต้านจุลชีพ ฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระ และฤทธิ์ควบคุมการเจริญพันธุ์ในเพศชาย เป็นต้น ซึ่งการพัฒนาโครงการดังกล่าว ได้นำไปสู่การพัฒนาห้องปฏิบัติการการทดสอบฤทธิ์ทางชีวภาพที่ได้มาตรฐาน ที่ภาควิชาเภสัชวิทยา มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ และที่ภาควิชาสรีรวิทยา และภาควิชาจุลชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล นอกจากนี้การวิจัยดำเนินการหาสารพวกที่มีสารที่มีฤทธิ์ต้านการอักเสบ ฤทธิ์ต้านจุลชีพ และฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระ อาจจะนำมาพัฒนาใช้เป็นผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง และใช้ในการรักษาสภาพของผลิตผลทางเกษตรให้คงความสดนานยิ่งขึ้นได้ด้วย

การดำเนินการวิจัยในโครงการ drug discovery จะประกอบด้วยเครือข่ายของนักวิจัยจาก หอพันธุ์ไม้ กรมป่าไม้ มหาวิทยาลัยมหิดล มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ มหาวิทยาลัยขอนแก่น มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ และมหาวิทยาลัยราชภัฏสุราษฎร์ธานี

บางส่วนของงานวิจัยของศาสตราจารย์ ดร. วิชัย ริ้วตระกูล ได้ถูกนำไปเผยแพร่ออกอากาศทางสถานีโทรทัศน์ BBC World ผ่านดาวเทียมในรายการ Tomorrow’s World: Vision of the Future เมื่อเดือนเมษายน ปี พ.ศ. 2540 คือ ผลงานวิจัยเกี่ยวกับสาร Triptolide ซึ่งมีสารที่มีฤทธิ์ควบคุมการเจริญพันธุ์ในเพศชาย โดยทำการทดลองในลิง marmoset ตัวผู้ จากการทดลองพบว่าสาร Triptolide เป็นสารตัวแรกที่ได้ผ่านการทดสอบว่าเป็นสารที่ไม่ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ เท่าที่ได้ศึกษามาจนถึงขณะนี้ไม่พบความเป็นพิษของสารนี้ต่อสัตว์ทดลอง และมีฤทธิ์ได้เป็นที่น่าพอใจ

ศาสตราจารย์ ดร.วิชัย ริ้วตระกูล มีผลงานที่ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติ จำนวน 116 เรื่อง เขียนบทความลงในหนังสือตำราวิชาการระดับนานาชาติ จำนวน 5 เรื่อง จดสิทธิบัตรระดับนานาชาติ จำนวน 1 เรื่อง ผลงานวิจัยที่นำไปใช้ประโยชน์ในเชิงพาณิชย์อย่างเป็นรูปธรรมแล้ว คือการพัฒนาสารจากไพล (Zingiber cassumunar) สำหรับใช้ในผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง Plaitanoids และการพัฒนาสารจาก เกษรบัวหลวง (Nelumbo nucifera) สำหรับใช้ในผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง Lotusia เป็นต้น