在中科院軟體所博士畢業以後，1986年9月-1987年12月，林惠民前往英國愛丁堡大學計算機科學基礎實驗室從事博士後研究。起因僅僅是愛丁堡大學的一個教授來中科院做講座，報告過程中林惠民向教授提問、交流，「我對他很感興趣，他對我也很感興趣。我的博士論文跟教授研究的方向契合，本科期間我還就這個方向發表過論文，他邀請我畢業後一定去愛丁堡。」
當時愛丁堡大學計算機科學基礎實驗研究室是世界上最好的計算機基礎研究室之一，聞名業界的三位教授都在那裡，其中一位後來獲得了圖靈獎。這樣好的科研環境，吸引著全世界各地的年輕學者，也深深影響著林惠民，「我真正看到了這個領域最好、最強的，我博士論文研究的方向就是他們開拓出來的。相比之下，我們的基礎就差很多，那裡用到的一些數學工具，如λ-演算，我們國內沒有。」
因為差很多，林惠民遇到的第一個問題就是：「他們講的一些東西我聽不懂，必須重新學。」 當時林惠民的心情相當複雜，「第一，我有做下去的衝動，有一股很大的力量推著我往上走，那是學科發展到最快的階段自身激發出的活力。第二，我明白自己確實有很多東西需要學習。第三，我也感到有自信，這些科學家是聰明人但並不是超人，他們的思維和創新背後有一個強大的邏輯，他們能做到的，我也能做到。」
在這樣的信念驅動下，1990年到1993年，林惠民再次前往英國，到Sussex大學從事並發理論及形式化方法的研究。此間，他提煉出了一個可以描述各種進程演算公理語義的元語言，在此基礎上，他設計並實現出了世界上第一個通用的進程代數驗證工具PAM。之後，林惠民與Hennessy教授合作，提出了「符號互模擬理論」，在消息傳送進程研究中取得突破性進展。在此基礎上，林惠民對PAM加以擴充，研製成迄今世界上唯一能對付消息傳送進程的驗證工具VPAM。用「符號互模擬理論」，林惠民還解決了圖靈獎獲得者Milner教授與其合作者提出的π-演算的有窮公理化問題。
這些成果已為國際同行在公開發表的文獻中所廣泛引用。問起取得的原因，林惠民認為，「當時幾個地方都在做進程代數的驗證工具。別人都是面向某個具體的進程代數理論做一個工具，我試圖只做一個工具，能夠適用於不同的理論，這就需要提供一個元語言。我們運氣好，先做出來了，大家看了都高興。π演算的公理化是另外一個問題，用符號互模擬理論恰好能解決它，比其他方法好用，這看起來像個意外。應該是我們對符號互模擬這個工具耍得熟了，拿起來就知道應該往哪兒用，就像拿著水果刀就知道去削皮一樣。」
基於自己的科研成長經驗，林惠民很鼓勵自己的學生也出國去看一看，感受不同的學術傳統，他也歡迎國外的學生來他的實驗室交流。現在，軟體所計算機科學國家重點實驗室的國際化環境就很好，有好幾個科研人員和學生來自國外，林惠民自己就有一個丹麥的聯合培養碩士生。
1999年林惠民被評為「國家級有突出貢獻的中青年專家」，同年11月當選為中國科學院院士。這些人生預期之外的榮譽，是多年努力後的自然沉澱，也讓林惠民更明白「身居其位，就要儘量把工作做好」。身為中國科學院大學的博導、崗位教授，近些年，林惠民把更多的時間和精力用在了指導學生科研和教授課程上。