Tønnesen er særlig interessert i formulering av legemidler der virkestoffet er vanskelig løselig eller vanskelig tas opp i kroppen. Hun har også arbeidet mye med fotoaktive stoffer, bl.a. kurkumin og bidratt til at det er kommet på plass regelverk for lysømfintlige legemidler. Tønnesen spiller en sentral rolle i forskningsgruppen PharmaLuxLab.