François Trémolières travaille sur la spiritualité française du XViie siècle, principalement Fénelon, et l'historiographie de l'histoire de la spiritualité, principalement Bremond et le moment « moderniste », au début du XXe siècle. il poursuit ses recherches en direction d'une part, pour le XViie siècle, de l'image (par exemple les « cartes peintes » de Michel Le Nobletz) et des oeuvres d'art ; d'autre part, pour l'historiographie et l'épistémologie des « sciences des religions », de la philosophie (Baruzi en particulier) et d'une anthropologie de la croyance.