El Dr. Marhuenda-Egea inició su carrera investigadora bajo la dirección del Dr. Cadenas, trabajando en sistemas enzimáticos halófilos en disolventes orgánicos. Esa investigación en Biotecnología permitió desarrolla nuevos protocolos para trabajar con enzimas en sistemas no-biológicos. Posteriormente, trabajó en Biología Molecular, empleando archaeas halófilos extremos como objetivo de la investigación. El Dr. Marhuenda-Egea trabajó en secuenciación y transformación de archaea. Realizó estancias postdoctorales en la Universidad de Florencia, bajo la dirección del Dr. Bertini. Posteriormente, su trabajo se ha centrado en Metabolómica, especializándose en diversas técnicas instrumetrales como RMN (Resonancia Magnética Nuclear), Espectroscopia de fluorescencia, FT-IR (Fourier Transform Infrarred), Análisis Térmico y HPLC-MS (High Pressure Liquid Chormatography with Mass Spectroscopy). Actualmente, centra su investigación en diferentes sistemas, que van desde la fertilidad humana hasta el estudio de la materia orgánica en sistemas naturales. Otra línea de investigación especialmente interesante, es la centrada en sistemas acuáticos, abarcando tanto el estudio de los medios marinos, como las comunidades de peces.