Ο Δημήτρης Μιχελιουδάκης ειδικεύεται στη σύνταξη και στα διεπίπεδά της με τη σημασία και τη μορφολογία. Η έρευνά του μέχρι στιγμής έχει επικεντρωθεί στην αλληλεπίδραση της γεγονοτικής δομής και της επιλογής ορισμάτων, στη μικρο-συγκριτική ανάλυση των ελληνικών διαλέκτων και στη χρήση μορφοσυντακτικών μοτίβων για φυλογενετικούς σκοπούς, ενώ έχει της ασχοληθεί ερευνητικά με τη σύνταξη δύο Γηγενών Αμερικανικών γλωσσών.