Fra 1955 jobbet han som assistent ved Universitetet i Paris, hvor han tok doktorgraden i 1960. Fra 1965 til 1971 arbeidet han ved Radiuminstituttet ved i Paris. I 1972 ble Luc Montagnier leder for virologiavdelingen ved Institut Pasteur i Paris, som han ledet som professor fra 1985. Fra 1991 til 1997 var han leder for avdelingen for AIDS og retrovirus ved samme institutt.