Het centrale thema van het onderzoek van Liesbeth Reneman is het effect van drugs en medicijnen op de hersenen, in het bijzonder de langetermijneffecten van medicatie op het zich ontwikkelende brein. Met haar onderzoeksgroep bestudeert ze door middel van een multidisciplinaire en translationele aanpak de effecten van drugs en medicijnen zoals ecstasy, amfetamine, chemotherapie, methylfenidaat en antidepressiva. Hiermee geeft ze inzicht in de voordelen van psychofarmaca, maar brengt zij ook de ongekende bijwerkingen in beeld die deze op het zich ontwikkelende brein kunnen hebben. Reneman is tevens betrokken bij de diagnostiek van patiënten op de afdeling Radiologie en implementatie van de onderzoeksresultaten binnen de klinische neuroradiologie.

Naast haar klinische taken en het geven van onderwijs gaat Reneman zich als hoogleraar richten op de verdere ontwikkeling van non-invasieve moleculaire beeldvorming en het verbinden van het fundamenteel onderzoek met de klinische praktijk. Daaruit voortvloeiend zal zij zich ook bezighouden met het versterken van moleculaire MRI-beeldvorming binnen de neuroradiologie. Moleculaire beeldvorming is het karakteriseren, visualiseren en kwantificeren van moleculaire processen die ziekte kunnen veroorzaken, nog voordat deze zich in structurele afwijkingen manifesteert. Hierdoor zal het een belangrijke rol gaan spelen in de vroegdiagnostiek van neuropsychiatrische ziektebeelden, de stratificatie van patiënten en personalized medicine. 

Reneman is sinds 2008 neuroradioloog bij de afdeling Radiologie van het AMC. Zij is principal investigator en leider van de onderzoeksgroep Translationale Neuroradiologie. Reneman is initiator en medeoprichter van het Brain Imaging Center (BIC), het expertisecentrum dat alle kennis op het gebied van neuroimaging samenbrengt van de AMC-afdelingen Psychiatrie, Radiologie, Nucleaire Geneeskunde en Neurologie,Daarnaast is zij binnen alliantie ‘Neuroscience Amsterdam’ van AMC en VUmc programmaleider ‘Brainimaging’ voor het AMC. Tevens is zij verbonden aan het interdisciplinaire centrum Amsterdam Brain and Cognition (ABC) van de UvA. In 2014 richtte Reneman het Europese Pharmanetwerk op, een multidisciplinair netwerk waarin Europese wetenschappers kennis delen en gezamenlijk standaarden en richtlijnen ontwikkelen met betrekking tot farmacologische MRI in de gezondheidszorg.