主要从事无机固体功能材料的制备、结构、理论和性能研究。在JACS、Angew Chem Int Ed、Adv. Mater.、Phys. Rev. Lett等化学、材料、物理学科的重要国际刊物上发表SCI论文180多篇，引用近6000次。 将溶剂热合成技术发展成制备III-V族非氧化物的普适性方法，有关工作发表在Science (1996，第一作者)，这方面的工作入选了无机专业教科书，该系列工作获得2001年国家自然科学二等奖（排名第二）。 注重从固体化学的基本原理出发，从物质的内在特征结构为导向来控制它们的生长，同时建立和发展了系列结合特征晶体结构和特征模板导向的二元协同策略来构筑三维组装结构，该系列工作获得2012年国家自然科学二等奖（排名第一）。 提出了利用无机固体中丰富的相变行为和半导体二维超薄结构这两种新思路来实现电声输运的同时优化，获得了高转化效率的新热电材料，这大大区别于国际上通常采用纳米化降低热导的方法来提高热电效率，相关工作在《美国化学会志》上连续发表了5篇论文，美国《化学与工程新闻》做长篇专题评述，国际同行又评价她们提出的体系和方法是“有潜力的今后寻找热电材料的方向”。 在低维固体中的电、声调制领域，谢毅课题组还发展了无机类石墨烯化学，解决了这类超薄结构无法给出精确原子位置的难题，进而揭示了半导体二维超薄结构的精细结构、电子结构与热电、光电基本性能之间的调控规律，该系列工作发表了3篇《自然·通讯》和十几篇《美国化学会志》和《德国应用化学》论文，还为英国皇家化学会著名综述刊物《化学评论综述》撰写了2篇指导性评述，这部分工作使她们小组成为目前国际上在该领域持续活跃的几个主要研究小组之一。