En 1988, elle prend la tête de son propre laboratoire et initie de nombreux travaux sur les déterminants de l’hôte et du virus dans la pathogénèse du VIH et s’implique dans des programmes de recherche d’un vaccin. Les programmes de recherche dans son laboratoire portaient sur les mécanismes de protection contre l’infection VIH/SIV (virus simiens à l’origine du VIH) ou de contrôle du sida, en particulier au niveau de l’immunité innée.
Françoise Barré-Sinoussi est fortement impliquée dans les pays aux ressources limitées dans la promotion de programmes alliant recherches, formations et actions sur le terrain, en particulier à travers le Réseau International des Instituts Pasteur et la coordination des programmes de recherche de l’ANRS au Cambodge et au Vietnam.
En 2009, elle est élue membre de l’Académie des sciences. En 2012, elle devient présidente de la Société internationale du sida (IAS). En 2013, elle est élevée au rang de Grand Officier de la Légion d’honneur.
Françoise Barré-Sinoussi a reçu plus de 10 distinctions internationales tout au long de sa carrière, dont le prix Nobel de physiologie ou médecine, conjointement avec le Pr Luc Montagnier. Elle est également titulaire du titre de docteur Honoris Causa de nombreuses universités. Ses travaux ont donné lieu à près de 270 publications originales dans des journaux scientifiques internationaux, à plus de 120 revues dans des livres et à plus de 250 communications lors de congrès internationaux.
Françoise Barré-Sinoussi est professeur de classe exceptionnelle à l’Institut Pasteur et directrice de recherche Inserm de classe exceptionnelle. Elle a dirigé l’unité Régulation des infections rétrovirales à l’Institut Pasteur à Paris jusqu'en 2016.