Marcel Mannens verricht genetisch en epigenetisch onderzoek naar het ontstaan van ziekten met het doel deze kennis te implementeren in de genoomdiagnostiek. Naast het meer klassieke onderzoek naar genetische oorzaken van erfelijke ziekten ligt de nadruk van het (epi)genetisch onderzoek momenteel op de bestudering van de genregulatie door omgevingsfactoren. Het gaat daarbij om factoren als ondervoeding, obesitas, trauma, stress, kindermisbruik en -verwaarlozing en alcoholgebruik tijdens de zwangerschap (foetaal alcoholsyndroom). Epigenetica speelt ook een rol bij aangeboren ziekten en kanker. Epigenetische veranderingen zijn in potentie omkeerbaar, hierdoor biedt de epigenetica nieuwe mogelijkheden voor de geneeskunde. Epigenetische biomarkers kunnen dienen als ziektevoorspellende markers of als nieuwe targets voor geneesmiddelen.

Mannens is klinisch genetisch laboratoriumspecialist en vanaf 1985 werkzaam bij het AMC, sinds 2007 als hoofdonderzoeker. In 2011 werd hij voorzitter van de afdeling Klinische Genetica (a.i.) en in 2014 hoofd van het Genoomdiagnostiek Laboratorium van het AMC. Daarnaast is hij sinds 2002 werkzaam voor de Raad voor Accreditatie en voor CCKL, de stichting voor kwaliteitsbevordering van laboratoriumonderzoek. Mannens vervulde meerdere bestuursfuncties binnen de humaan genetische en klinisch genetische laboratoriumverenigingen. Met zijn onderzoeksteam publiceerde hij ruim 170 wetenschappelijke publicaties, onder meer in The Lancet, Nature Genetics, PNAS en The American Journal of Human Genetics.