Han har tidligere arbeidet med historiografi, nordnorsk historie og arbeiderbevegelsens historie, men senere tids arbeider omfatter den kalde krigen, Andre verdenskrig, Nordområdene, Barentssamarbeidet og diplomatisk historie. Spesielt Norges forhold til Russland har vært Tjelmelands viktigste forskinginteresser de siste ti årene. Han deltar også aktivt som foredragsholder, i paneldebatter og som kronikkforfatter.