Han har forsket indenfor forskellige typer af nanopartikler, bl.a. metal- og polyethylenimin-baserede, men hovedvægten har været på såkaldte liposomer, der er opbygget af lipider. Han har i denne sammenhæng ledet en innovativ indsats omkring enzym-aktiverede liposomer til cancerbehandling, og han har udviklet forskellige designs til aktivering af kræftpatienters immunforsvar - f.eks. ved anvendelse af nanopartikler dekoreret med Toll-like receptor agonister. I de seneste år har Thomas Lars Andresen opnået gennembrud hvad angår brugen af nanopartikler til optimering af stråleterapi. Thomas Lars Andresen har således en bred faglig profil indenfor medicinalkemisk brug af strukturelt avancerede nanopartikler, hvor han er internationalt anerkendt som en førende forsker.
Thomas Lars Andresen har en imponerende publikationsliste med mere end 110 artikler i internationale tidsskrifter – heraf alene mere end 70 artikler siden 2010 – og hans artikler citeres flittigt af andre forskere. Han er desuden medopfinder på ca. 20 patentfamilier, og han har i de senere år bidraget væsentligt til bioteknologisk og biomedicinsk innovation og firmaopstart i Danmark. Han har modtaget en række prestigefyldte bevillinger, herunder en ERC (European Research Council) starting grant og en DFF Sapere Aude Topforsker bevilling, og han har modtaget en række priser for sin forskningsindsats.
Thomas Lars Andresen opnåede i 2005 ph.d-graden fra Danmarks Tekniske Universitet. I perioden 2001-2007 var han forskningsleder på Liplasome Pharma, og han har siden 2012 været professor ved Danmarks Tekniske Universitet.