Varella foi um dos pioneiros no tratamento da AIDS, especialmente do sarcoma de Kaposi, no Brasil. Em 1989, iniciou um trabalho de pesquisa sobre a prevalência do vírus HIV na população carcerária da Casa de Detenção do Carandiru. Desse ano, até a desativação do presídio, em setembro de 2002, trabalhou como médico voluntário. Atualmente, faz o mesmo trabalho na Penitenciária Feminina de São Paulo.
Na Amazônia, na região do baixo rio Negro, dirige um projeto de bioprospecção de plantas brasileiras com o intuito de obter extratos para testá-los experimentalmente em células tumorais malignas e bactérias resistentes aos antibióticos. É autor de 13 livros, dentre eles, Carcereiros (2012) e Correr (2015), ambos editados pela Companhia das Letras.