李纯明教授主要研究领域包括图像处理、计算机视觉和医学影像分析的算法研究与应用。在图像分割和水平集方法的研究中做出了若干重要的贡献，以第一作者身份发表了多篇原创性的研究论文，提出的模型与算法已成为国内外同行开展相关研究工作的基础，并被频繁引用，其中两篇论文单篇他引次数为1800多次和2000多次，分别荣获2013和2015年IEEE信号处理学会最佳论文奖，是国际上唯一的两次以第一作者身份获得该奖的学者。李纯明2015年受邀担任图像处理顶级期刊IEEE TIP编委，2020年受邀担任医学图像分析顶级期刊Medical Image Analysis编委。