Η Pat Willmer ξεκίνησε την ερευνητική της καριέρα στη νευροβιολογία στο Cambridge, με σταδιακή στροφή σε ευρύτερα ενδιαφέροντα στη φυσιολογία των ασπόνδυλων και τις αλληλεπιδράσεις της φυσιολογίας, της οικολογίας και της συμπεριφοράς. Τα σημερινά της ενδιαφέροντα εστιάζονται κυρίως στην περιβαλλοντική φυσιολογία των εντόμων και τις αλληλεπιδράσεις εντόμων-φυτών.