Realizó su doctorado en Medicina en la Universidad de Poitiers, y en 1967 inició sus investigaciones en virología. En 1983 el equipo del que forma parte describió e identificó lo que sería uno de los mayores descubrimientos de las últimas décadas del siglo XX: el virus VIH causante del SIDA, apenas poco después de que este síndrome fuera reconocido como una nueva entidad patológica, en 1981.
A partir de 1990, Montagnier empezó a distanciarse de la estrategia de investigación dominante, afirmando que el VIH es incapaz por sí solo de producir la enfermedad, necesitando obligatoriamente del concurso de cofactores. Se le concedió el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica en el año 2000, y el Premio Nobel de Medicina en 2008.