ศาสตราจารย์ ดร. อมเรศ ภูมิรัตน และคณะ ได้ทำงานวิจัยทางด้านจุลชีววิทยา เทคโนโลยีชีวภาพ และเทคโนโลยีการอาหารอย่างต่อเนื่อง โดยมีผลงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติ จำนวนกว่า 70 เรื่อง ผลงานวิจัยโดยสรุปมีดังนี้

• งานวิจัยด้านการใช้ประโยชน์จากแบคทีเรีย ได้แก่ การศึกษาแบคทีเรียที่มีฤทธิ์ฆ่าแมลง โดยเฉพาะสายพันธุ์ซึ่งฆ่าหนอนแมลงศัตรูพืช และสายพันธุ์ซึ่งสามารถฆ่าแมลงพาหะนำโรค อาทิ Bacillus thuringiensis ศึกษาคุณสมบัติของผลึกสารพิษ ความสามารถที่แบคทีเรียจะยังคงฤทธิ์อยู่ได้ในสิ่งแวดล้อมต่าง ๆ การผลิตแบคทีเรียเหล่านี้ในระดับอุตสาหกรรม และพัฒนาให้มีศักยภาพในเชิงพาณิชย์ การถ่ายทอดยีนสารพิษระหว่างแบคทีเรียเหล่านี้ ทั้งในระหว่างสายพันธุ์เดียวกันและสายพันธุ์ต่างกัน ทำให้สามารถสร้างแบคทีเรียสายพันธุ์ใหม่ที่มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ศึกษาขบวนการควบคุมการแสดงออกของยีนโดยใช้เทคนิคทางด้านพันธุวิศวกรรม เพื่อนำไปพัฒนาสายพันธุ์แบคทีเรียที่เหมาะสมต่อไปได้ในอนาคต
• งานวิจัยด้านการใช้ประโยชน์จากเชื้อรา ที่สำคัญได้แก่ การแยกวิเคราะห์เชื้อราต่างๆ จากหัวเชื้อซีอิ้วในประเทศไทย และการผลิตเอนไซม์ต่างๆ จากเชื้อรา การถ่ายทอดเทคโนโลยีในการผลิตอาหารหมักจากถั่วเหลือง ไปยังอุตสาหกรรมขนาดย่อม โดยขบวนการฝึกอบรมและการบริการทางเทคนิคอื่นๆ การผลิตเอ็นไซม์กลูโคอะมัยเลสในระดับอุตสาหกรรม การใช้เชื้อรา Nomuraea rileyi เพื่อควบคุมหนอนแมลงศัตรูพืช ในกลุ่ม Lepidoptera ซึ่งเป็นหนอนที่ทำลายพืชเศรษฐกิจของประเทศไทยเป็นอย่างมาก ทั้งพืชผัก ผลไม้และพืชเศรษฐกิจอื่นๆ หนอนกลุ่มนี้ได้แก่ หนอนกระทู้ผัก หนอนกระทู้หอม และหนอนเจาะสมอฝ้าย โดยได้พัฒนางานวิจัยและถ่ายทอดเทคโนโลยีไปสู่ภาคเอกชน เพื่อที่จะนำไปพัฒนาเป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปต่อไป