1974年至1975年在英國的格拉斯哥病毒研究所做客座研究員從事腫瘤基礎研究。1986年至1987年曾在法國國家科學研究中心作為客座研究員從事HIV的研究，從1973年起研究人腫瘤病毒（包括EB病毒、乳頭狀瘤病毒、HTLV-1病毒、HBV及人皰疹第8型病毒）與人癌癥發生的關系；從1984年開始研究HIV的流行病學、分子流行病學、藥物和疫苗。上述工作取得較顯著成績。曾任中國預防醫學科學院院長，三屆國務院學位評審組成員，世界衛生組織全球顧問委員會和腫瘤專家顧問委員會委員，國際微生物聯盟執委，中國預防性病艾滋病基金會會長，中華預防醫學會會長，聯合國亞太地區艾滋病與發展領導論壇指導委員會成員。現任北京工業大學生命科學與生物工程學院院長，博士、博士後導師，國家性病艾滋病預防控制中心首席科學家，中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所院士實驗室主任，世界衛生組織腫瘤專家顧問組成員，中華醫學會常務理事，中華預防醫學會名譽會長。
1956-1960年，從事脊髓灰質炎病毒，減毒性疫苗免疫，腸道病毒、麻疹病毒的研究。1960年起從事腫瘤病毒研究。從1973年開始研究EB病毒與鼻咽癌的關系，建立了壹系列鼻咽癌的血清學診斷方法，應用血清學指標可以在發病前18-20年預測鼻咽癌發生的可能性，使早期診斷率從20-30%提高到80-90%，挽救了大批病人的生命；在國際上首次從高分化和低分化鼻咽癌建立細胞株，發現高分化癌細胞也帶有EB病毒基因和抗原；發現HLA與鼻咽癌發生有關的壹些易感和抵抗基因，鼻咽癌高發區的壹些中草藥、植物和食物帶有TPA等促癌物，人鼻咽部的厭氧桿菌能產生促癌物丁酸；在國際上首次證明在促癌物TPA和丁酸的協同作用下，EB病毒感染的人胎鼻咽部粘膜組織在裸鼠能誘發T、B細胞淋巴瘤和人鼻咽癌。這是EB病毒誘發人鼻咽癌的直接證據，同時也提供了研究鼻咽癌病因多因素和作用機制的模型；已研究出EB病毒疫苗，獲國家藥監局批準，正在進行臨床試驗，證明EBV LAMP 2疫苗能提高鼻咽癌患者的特異性細胞免疫；80年代，中央電視臺曾拍攝曾毅科研團隊有關EB病毒研究成果，題為“與魔鬼打交道的人”的紀錄片；90年代，法國中央電視臺來華拍攝題為“希望來自中國Hope from China”的紀錄片，並在法國電視播放兩次。在國內首次研究了HTLV-1病毒在我國的分布及其與成年人T淋巴細胞白血病及神經系統疾病的關系；研究HPV與宮頸癌的關系；證明食管癌有HPV16或18型等病毒，HPV18 E6E7單獨或與促癌物、致癌物、放射等因素協同作用能誘發正常胎兒食管上皮細胞癌變；表明HPV在食管癌發生中起重要作用，正在研究多種HPV疫苗；研究HHV-8病毒在我國的流行分布及其與卡波西肉瘤和艾滋病的關系；首次應用人乙肝病毒與黃曲黴毒素合同作用誘發人胎肝細胞癌變並建立了細胞株；證明藍藻毒素能誘發永生細胞癌變。從1984年起開展艾滋病毒(HIV)和艾滋病的研究，證明1982年HIV隨血液制品從美國傳入中國，1983感染中國公民，1987年分離到第壹個中國的HIV－1毒株；進行HIV－1分子流行病學的研究，建立了HIV的快速診斷方法，快速診斷試劑盒獲衛生部批準。壹直從事艾滋病宣傳教育和幹預及HIV藥物和疫苗的研究。研制的治療艾滋病中藥已經國家藥監局批準上臨床試驗。正在研究的多載體序貫和重復應用的HIV疫苗，有兩種疫苗已獲國家藥監局批準上臨床試驗，另壹種疫苗正在審批中。