Barré-Sinoussi se unió al Instituto Pasteur en París a inicios de los años 1970. Completó su doctorado en 1975 y realizó una estancia en el Instituto Nacional de Salud de EEUU antes de volver al Instituto Pasteur. Las investigaciones de Barré-Sinoussi rápidamente se centraron en un grupo particular de virus, los retrovirus. Sus crecientes conocimientos en este campo le llevaron a descubrir el VIH en 1983. Este descubrimiento reveló una urgente necesidad de desarrollar test de diagnóstico para ayudar a controlar la dispersión de la enfermedad. Barré-Sinoussi estrenó su propio laboratorio en el Instituto Pasteur en 1988. En 1983, el grupo de Barré-Sinoussi publicó el artículo donde explicaban el descubrimiento de un nuevo virus que luego se llamaría el Virus de Inmunodecifiencia Humana, el VIH, el virus que provoca el SIDA, el Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida, y que era el responsable de todas aquellas muertes.