Ses recherches s'organisent autour de la synthèse de matériaux innovants organiques ou hybrides et du développement de méthodes de mise en œuvre pour la conversion de l'énergie solaire. Son approche est basée sur la conception et la préparation de nouvelles molécules photo et électro-actives et inclut un volet fondamental qui vise à comprendre les règles qui corrèlent structure, organisation et propriétés de ces matériaux.

Renaud Demadrille est engagé dans plusieurs collaborations industrielles. Avec l'entreprise suisse Solaronix, il a participé au développement de panneaux solaires semi-transparents, basés sur la technologie des cellules à colorant. Ces derniers contiennent un photosensibilisateur organique conçu dans son laboratoire. Ces panneaux ont été incorporés à la première façade solaire multicolore installée au centre de conférences de l'EPFL à Lausanne en Suisse : une première mondiale !

Ses travaux ont donné lieu à huit brevets et près de 69 publications.