Françoise Barré-Sinoussi obtient son doctorat en 1974 à la Faculté des sciences de Paris. Chercheuse à l'INSERM à partir de 1975, elle mène des travaux sur des thèmes liés au sida.
En janvier 1983, Willy Rozenbaum envoie la première biopsie ganglionnaire d'un patient atteint de « lymphadénopathie généralisée », c'est-à-dire au stade de « pré-sida » (avant l'apparition d'une immunodéficience profonde), prélevée à l'hôpital de la Pitié-Salpêtrière. Luc Montagnier, après avoir disséqué le ganglion qui lui a été confié, le met en culture. Pendant les trois semaines qui suivent, Jean-Claude Chermann et Françoise Barré-Sinoussi analysent régulièrement l'activité rétrotranscriptase du surnageant des cultures afin de déterminer l'éventuelle présence d'un rétrovirus. Une telle activité est détectée, mais elle s'associe systématiquement à une mort cellulaire. D'où l'idée d'impliquer les équipes du centre de transfusion sanguine de Pasteur afin de récupérer des globules blancs de donneurs, de les mettre en culture et d'y injecter le surnageant des cultures. L'activité enzymatique rétrovirale est à nouveau détectée et l'effet cytopathogène du virus sur les lymphocytes CD4 est prouvé .
Les autres personnes qui ont participé à la découverte du virus de l'immunodéficience humaine (VIH) sont Willy Rozenbaum, Françoise Brun-Vezinet et Jean-Claude Chermann. Pendant les années qui suivirent, le débat fut assez vif quant aux mérites respectifs de l'Institut Pasteur et du groupe de Robert Gallo dans la découverte du virus. La remise du prix Nobel constitue à ce titre une reconnaissance forte du rôle de l'Institut Pasteur, en particulier des rôles de Luc Montagnier et Françoise Barré-Sinoussi. Toutefois, les partisans de Robert Gallo continuent à critiquer le choix du comité Nobel.
En 1988, elle intègre l'Institut Pasteur où elle occupe le poste de chef d’unité. Entre 1988 et 1998, elle participe à des programmes collectifs sur la recherche du vaccin contre le VIH, utilisant des primates.
Françoise Barré-Sinoussi devient responsable de son propre laboratoire à l'Institut Pasteur en 1998 et met en place des programmes de recherche sur les déterminants viraux et des hôtes de la pathogénèse du VIH. En 2008, sa recherche se tourne vers les régulations congénitales des infections par le VIH.
En 2012, elle sera Présidente de l'International Aids Society, première société internationale indépendante de chercheurs et de médecins contre le VIH/sida.
