Ein Schwerpunkt der Forschungen von Prof. Axmann ist die intelligente, automatisierte und dynamische Steuerung von synthetischen Stoffwechsel- und Signalwegen in Mikroorganismen mit Hilfe von synthetischen Schaltern und Sensoren. Dabei konzentriert sie sich vor allem auf die Entwicklung von Cyanobakterien als zukünftige Plattform für eine nachhaltige Biotechnologie. Dies ist motiviert durch die Tatsache, dass Cyanobakterien seit Milliarden von Jahren Licht direkt als Energiequelle und atmosphärisches Kohlendioxid als Ausgangsstoff nutzen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt bei der circadianen Uhr, also der Lebewesen innewohnenden Tag-Nacht-Rhythmik und deren Einfluss auf die Struktur der DNA.
Ilka Maria Axmann studierte Biotechnologie an der Technischen Universität Berlin. Im Jahr 2006 promovierte sie im Bereich der Molekularbiologie an der Humboldt-Universität Berlin. Sie wechselte an die Charité, zunächst als Postdoc und zwischen 2008 und 2013 als Juniorgruppenleiterin. Im Jahr 2013 kam sie als Juniorprofessorin mit Tenure Track und Forschungsgruppenleiterin an die HHU. Die Position war  im Rahmen des Exzellenzcluster CEPLAS (Cluster of Excellence on Plant Sciences) eingerichtet worden. In ihrer Arbeit verfolgt Axmann von Anfang an interdisziplinäre Ansätze, der Bereich der Synthetischen Mikrobiologie liefert dafür besonders gute Voraussetzungen.