หลังจากเข้าร่วมโครงการได้ทำวิจัยภายใต้การดูแลของ ศาสตราจารย์เกียรติคุณเลียงชัย ลิ้มล้อมวงศ์ โดยเน้นศึกษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าของชั้นเซลล์เยื่อบุ (epithelium) จนสำเร็จปริญญาตรีวิทยาศาสตร์การแพทย์ (เกียรตินิยม) เมื่อปี พ.ศ. 2542 จากคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล หลังจากนั้นในปี พ.ศ. 2544 จึงสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอก สาขาสรีรวิทยา (รางวัล Dean’s List) จากสถาบันเดียวกัน โดยมี ศาสตราจารย์นทีทิพย์ กฤษณามระ เมธีวิจัยอาวุโส สกว. เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา ในระหว่างปี พ.ศ. 2545-2547 นพ. นรัตถพล ได้เข้าศึกษาต่อในระดับคลินิก ที่คณะแพทยศาสตร์ศิริราชพยาบาล จนสำเร็จปริญญาแพทยศาสตรบัณฑิต (เกียรตินิยม)

ภายหลังจบการศึกษา นพ. นรัตถพล ได้รับบรรจุเป็นอาจารย์ที่ภาควิชาสรีรวิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล และเข้าร่วมในเครือข่ายวิจัยด้านแคลเซียมและกระดูก (Consortium for Calcium and Bone Research หรือ COCAB) ซึ่งมี ศาสตราจารย์ นทีทิพย์ กฤษณามระ เป็นหัวหน้าเครือข่าย โดยมีภารกิจหลักเพื่อสร้างสรรค์งานวิจัยด้านแคลเซียมและกระดูก ตลอดจนสอนนักศึกษาแพทย์ ที่สังกัดคณะแพทยศาสตร์โรงพยาบาลรามาธิบดี ต่อมาในปี พ.ศ. 2550 ได้ดำรงตำแหน่งเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ สาขาสรีรวิทยา นพ. นรัตถพล เป็นผู้ที่ทำงานวิจัยอย่างต่อเนื่อง โดยได้รับทุนสนับสนุนจากหลายสถาบัน เช่น ทุนพัฒนาศักยภาพในการทำงานวิจัยของอาจารย์รุ่นใหม่จาก สกว. และ สกอ. ทุนพัฒนานักวิจัย (เมธีวิจัย สกว.) ทุนจากเครือข่ายวิจัยด้านแคลเซียมและกระดูก และทุนจากกลุ่มเมธีวิจัยอาวุโส สกว. ของศาสตราจารย์ นทีทิพย์ กฤษณามระ เป็นต้น

นพ. นรัตถพล มีผลงานวิจัยตีพิมพ์ในวารสารชั้นนำระดับนานาติรวม 17 เรื่อง ในจำนวนนี้มี 4 เรื่องตีพิมพ์ในวารสาร American Journal of Physiology ซึ่งเป็นวารสารที่มีค่าผลกระทบสูง (impact factor) ในสาขาสรีรวิทยา ผลงานส่วนใหญ่มี นพ. นรัตถพล เป็นผู้นิพนธ์หลัก และทุกเรื่องทำในประเทศไทย นอกจากนี้ นพ. นรัตถพล ยังเป็นผู้ทรงคุณวุฒิพิจารณาผลงานวิจัย (reviewer) ให้กับวารสารวิชาการทั้งระดับชาติ และนานาชาติอีกเป็นจำนวนมาก เช่น วารสาร Bone และ Biochimica et Biophysica Acta เป็นต้น ปัจจุบัน นพ. นรัตถพล ร่วมกับ ศาสตราจารย์ นทีทิพย์ ดูแลรับผิดชอบงานวิจัยของสมาชิกในห้องปฏิบัติการรวม 20 คน ได้แก่ นักศึกษาบัณฑิต 14 คน นักวิจัยหลังปริญญาเอก 1 คน นักวิจัยหลังปริญญาโท 3 คน และ ผู้ช่วยวิจัย 2 คน

งานวิจัยของ นพ. นรัตถพล มุ่งเน้นตอบคำถามที่ว่า “จะทำอย่างไรให้กระดูกของคนไทยสมบูรณ์และแข็งแรงที่สุด” โจทย์วิจัยนี้มีความสำคัญในระดับนโยบาย เนื่องจากเมื่อคนไทยมีอายุยืนยาวขึ้น ก็จะพบโรคที่เกี่ยวกับการเสื่อมของอวัยวะต่างๆ มากขึ้น โดยเฉพาะกระดูก ซึ่งการรักษามักมีค่าใช้จ่ายสูง และความรุนแรงของโรคอาจทำให้พิการหรือเสียชีวิตได้ การแก้ไขปัญหานี้จึงต้องเริ่มจากการเข้าใจกลไก การควบคุมสมดุลแคลเซียมทั้งระบบ จึงจะทำให้การป้องกัน และการรักษามีประสิทธิภาพสูงสุด นพ. นรัตถพล ใช้เทคนิคด้านวิทยาศาสตร์การแพทย์แบบข้ามศาสตร์ (multidisciplinary research) ทั้งในแนวตั้ง (vertical approach) และแนวระนาบ (horizontal approach) การวิจัยในแนวตั้งเริ่มจากการศึกษาในมนุษย์หรือสัตว์ทดลอง (in vivo) จากนั้นจึงขยายให้ลึกลงถึงระดับอวัยวะ เนื้อเยื่อ เซลล์โปรตีน และระดับโมเลกุล ทำให้ทราบกลไกและความเชื่อมโยงของเหตุปัจจัยทางพยาธิสรีรวิทยาอย่างลึกซึ้ง เทคนิคที่ใช้จึงมีทุกระดับ เช่น organ transplantation, electrophysiology, radionuclide tracer, bone histomorphometry, dual-energy X-ray absorptiometry, confocal fluorescent microscopy, molecular cloning และ microarray เป็นต้น ผลการวิจัยทำให้เกิดแนวคิดใหม่เรื่องกลไกการดูดซึมแคลเซียมของลำไส้ รวมถึงความเข้มข้นของแคลเซียมในโพรงลำไส้ ที่เหมาะสมต่อการดูดซึม นำไปสู่วิธีการเพิ่มประสิทธิภาพยาเสริมแคลเซียม และอาหารแคลเซียมสูง (ปกติร่างกายดูดซึมแคลเซียม ได้เพียงร้อยละ 20 ของปริมาณที่รับประทานเท่านั้น ทำให้สิ้นเปลืองยาเป็นอย่างมาก) และสร้างแนวทางเพื่อ บรรเทาภาวะกระดูกบางในผู้ป่วยที่มีภาวะเลือดเป็นกรดเรื้อรัง ผู้ป่วยโรคกระดูกพรุน หรือในผู้หญิงที่กำลังอยู่ระหว่างการเลี้ยงบุตรด้วยน้ำนม

ส่วนด้านการขยายงานวิจัยในแนวระนาบนั้น นพ. นรัตถพล ได้นำเทคนิคในศาสตร์อื่นมาพัฒนาใช้ในห้องปฏิบัติการ เช่น การสร้างแบบจำลองทางชีวฟิสิกส์ การวิเคราะห์วงจรทางไฟฟ้า (DC circuit และ impedance analysis) การพัฒนาซอฟต์แวร์และวัสดุศาสตร์ เพื่อช่วยอธิบายกลไกที่ร่างกายนำแคลเซียม ที่ดูดซึมได้จากลำไส้ ไปเสริมความแข็งแรงของกระดูก ตลอดจนร่วมงานกับอาจารย์รุ่นใหม่ของสถาบันเดียวกัน เพื่อใช้ atomic force microscopy และ nanoindentation ประเมินความแข็งแรงของกระดูกในระดับนาโน นอกจากนี้ยังได้บุกเบิกหัวข้องานวิจัยใหม่ขึ้นในประเทศไทย เช่นการควบคุมการทำงานของกระดูกโดยระบบประสาท การออกกำลังกายแบบแรงกระแทกต่ำ (เช่น การว่ายน้ำ) เพื่อปรับความแข็งแรงของกระดูกในระดับจุลภาคและระดับนาโน การพิสูจน์ทฤษฏี “เซลล์เยื่อบุกระดูก” (bone membrane) เป็นต้น ทฤษฏีเซลล์เยื่อบุกระดูกเป็นองค์ความรู้ใหม่ที่มีความสำคัญ นพ. นรัตถพล อธิบายว่าเซลล์สร้างกระดูก (osteoblast) สามารถมาเรียงต่อกันเป็นแผ่นจนกลายเป็นเยื่อบุกระดูก ซึ่งอาจเป็นกลไกหลัก ที่ร่างกายใช้ควบคุมการแลกเปลี่ยนแคลเซียมระหว่างเลือดและกระดูก และอาจนำไปปรับใช้เพื่อชะลอการเสียมวลกระดูกได้ ผลงานนี้ี่ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Histochemistry and Cell Biology ซึ่งมีค่าผลกระทบสูงสุดในสาขา Microscopy (ตามการจัดอันดับ Journal Citation Reports 2006)