Mettenleiter forscht hauptsächlich zur Molekularbiologie und Pathogenese animaler Viren, also Viren, denen Tiere und Menschen als Wirtsorganismen dienen. Neben Untersuchungen zum Verständnis grundlegender Prozesse der Virus-Wirt-Interaktion liegt ein weiterer Schwerpunkt seiner Forschung auf der Entwicklung von neuartigen Impfstoffen unter Einsatz molekulargenetischer Verfahren.
Thomas C. Mettenleiter ist seit 1996 Präsident des Friedrich-Loeffler-Instituts, Bundesforschungsinstitut für Tiergesundheit Greifswald – Insel Riems (FLI). Von 1994 bis 2018 war er zudem Leiter des Instituts für molekulare Virologie und Zellbiologie (IMVZ) am FLI. Seit 1997 ist er außerplanmäßiger Professor an der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald und seit 2019 Honorarprofessor für Virologie in der Nutztierhaltung an der Universität Rostock. Im internationalen Kontext ist Thomas Mettenleiter seit 2021 Co-Vorsitzender des One Health High Level Expert Panel der World Health Organization (WHO), der Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), des UN Environment Programme (UNEP) und der World Organisation for Animal Health (WOAH). Für seine wissenschaftlichen Leistungen wurde Mettenleiter bereits mehrfach ausgezeichnet. So erhielt er beispielweise 2014 die Robert-von-Ostertag-Plakette der Deutschen Bundestierärztekammer und den Greifswald Research Award und 2007 den Martin-Lerche-Forschungspreis der Deutschen Veterinärmedizinischen Gesellschaft.
Die Goldmedaille der WOAH wird jährlich an Personen vergeben, die sich mit herausragenden Beiträgen um die Veterinärwissenschaften verdient gemacht und Beiträge zur wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung der Aktivitäten der WOAH geleistet haben. Mit der Ehrenmedaille in Silber wurden in diesem Jahr Dr. David Swayne (USA) und Prof. Jakob Zinsstag (Schweiz) ausgezeichnet.