先期从事天然产物的分离纯化与结构鉴定、天然产物的生物转化，曾参与远志活性成分的分离纯化与结构鉴定，皂素的定向生物转化等多项课题以及中药一类新药的研发。目前从事药品以及生物产品从实验室规模到工业规模的液相制备的方法开发以及放大，曾参与西罗莫司，依维莫司，紫杉醇，多西他赛，单唾液酸四己糖神经节苷脂等多种原料药的工艺开发以及生产放大。近些年随着超临界流体色谱应用的拓展，刘大伟还参与国家重大科学仪器设备开发专项超临界流体色谱仪的研发与应用开发，主要从事样品在超临界流体色谱与液相色谱的保留行为对比，超临界色谱应用于药物的分离纯化等工作，已经完成了紫杉醇，青蒿素，纽莫康定B0，卡泊芬净等项目的方法开发。