创立了肝脏外科的关键理论和技术体系。
为奠定肝脏外科的基础，从1958年起，吴孟超进行了肝脏解剖的研究。在建立人体肝脏灌注腐蚀模型并进行详尽观察研究和外科实践的基础上，创造性地提出了“五叶四段”的解剖学理论；为解决肝脏手术出血这一重要难题，在动物实验和临床探索的基础上，建立了“常温下间歇肝门阻断”的肝脏止血技术；为掌握肝脏术后生化代谢的改变以降低手术死亡率，通过临床和肝脏生化研究发现了“正常和肝硬化肝脏术后生化代谢规律”，并据此提出了纠正肝癌术后常见的致命性生化代谢紊乱的新策略；为进一步扩大肝脏外科手术适应症，提高肝脏外科治疗水平，他率先成功施行了以中肝叶切除为代表的一系列标志性手术。以上述工作为基础，创立了独具特色的肝脏外科关键理论和技术，建立了中国肝脏外科的学科体系，并使之逐步发展、壮大。

开辟了肝癌基础与临床研究的新领域。他针对肝癌发现时晚期多、巨大且不能切除者居多的特点，提出“二期手术”的概念，即对巨大肝癌先经综合治疗，待肿瘤缩小后再行手术切除，为晚期肝癌的治疗开辟了一条新的治疗途径；针对肝癌术后复发多、但又缺乏有效治疗的特点，率先提出“肝癌复发再手术”的观点，显著延长了肝癌患者的生存时间；针对中国肝癌合并肝硬化多，术后极易导致肝功能衰竭的特点，提出肝癌的局部根治性治疗策略，使肝癌外科的疗效和安全性得到有机统一。上述研究使肝癌术后5年生存率由60-70年代的16.0%，上升到80年代的30.6%和90年代以来的48.6%，不断丰富和发展了中国的肝脏外科事业。

为了提高中国肝脏外科的科学研究水平，使肝脏外科事业持续、深入的发展，吴孟超院士组建了国际上规模最大的肝脏外科专业研究所，牵头指导了一系列具有国际先进水平的基础研究工作，研制了细胞融合和双特异性单抗修饰两种肿瘤疫苗，发明了携带抗癌基因的增殖性病毒载体等，研究结果发表于《Science》、《NatureMed》、《Hepatology》、《Oncogene》、《CancerResearch》等学术刊物。 
创建了世界上规模最大的肝脏疾病研究和诊疗中心，培养了大批高层次专业人才。他领导的学科规模从一个“三人研究小组”发展到目前的三级甲等专科医院和肝胆外科研究所，成为国际上规模最大的肝胆疾病诊疗中心和科研基地；设立吴孟超肝胆外科医学基金，奖励为中国肝胆外科事业作出卓著贡献的杰出人才和创新性研究；培养了大批高层次专门人才。通过他和同行们的共同努力，推动了国内外肝脏外科的发展，多数肝癌外科治疗的理论和技术原创于中国，使中国在该领域的研究和诊治水平居国际领先地位。

20世纪50年代最先提出中国人肝脏解剖五叶四段新见解；

60年代首创常温下间歇肝门阻断切肝法，并率先突破人体中肝叶手术禁区；

70年代建立起完整的肝脏海绵状血管瘤和小肝癌的早期诊治体系，较早应用肝动脉结扎法和肝动脉栓塞法治疗中、晚期肝癌；

80年代，建立了常温下无血切肝术、肝癌复发再切除和肝癌二期手术技术；

90年代，在中、晚期肝癌的基因免疫治疗、肝移植等方面取得了重大进展，并首先开展腹腔镜下肝切除和肝动脉结扎术。

40年来共施行肝癌手术8000余例，术后5年生存率达38.1%；小肝癌(小于5厘米)手术1000余例，手术5年生存率达79.8%（其中小于3厘米小肝癌已达85.3%），最长存活36年。

在60年代首创简便安全的肝脏外科手术新疗法-肛门间歇阻断切肝法，并突破肝脏禁区，施行中肝叶切除术成功。

他从事肝脏外科领域研究近50年来，发表学术论文796篇，主编《黄家驷外科学》、《Primary Liver Cancer》等专著15部。

吴孟超培养了大批高层次专业人才，他领导的学科规模从一个“三人研究小组”发展到目前的三级甲等专科医院和肝胆外科研究所，成为国际上规模最大的肝胆疾病诊疗中心和科研基地。

设立吴孟超肝胆外科医学基金，奖励为中国肝胆外科事业作出卓著贡献的杰出人才和创新性研究；培养了大批高层次专门人才。通过他和同行们的共同努力，推动了国内外肝脏外科的发展，多数肝癌外科治疗的理论和技术原创于中国，使中国在该领域的研究和诊治水平居国际领先地位。

自1978年以来，在他指导下全院共培养博士后研究员23名、博士研究生67名、硕士研究生85名。