Mettenleiter forscht hauptsächlich zur Molekularbiologie und Pathogenese animaler und zoonotischer 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 leitete das Friedrich-Loeffler-Institut, Bundesforschungsinstitut für Tiergesundheit Greifswald auf der Insel Riems (FLI) seit 1996 und entwickelte es zu einer Forschungsanstalt von weltweitem Renommee. 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 Universität Greifswald und seit 2019 Honorarprofessor für Virologie in der Nutztierhaltung an der Universität Rostock. Zudem berät er die Bundesregierung seit 2020 als Vorsitzender des Fachbeirats „One Health” im Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ). 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. 2023 erhielt er die Professor Niklas-Medaille des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) sowie die Goldmedaille der WOAH und 2014 wurde ihm die Robert-von-Ostertag-Plakette der Deutschen Bundestierärztekammer sowie der Greifswald Research Award verliehen.
Mit dem Verdienstkreuz 1. Klasse des Verdienstordens der Bundesrepublik Deutschland erhält Mettenleiter nun die höchste Anerkennung des Bundes für Verdienste um das Gemeinwohl. Mit den Ordensverleihungen lenkt der Bundespräsident die öffentliche Aufmerksamkeit auf hervorragende Leistungen, denen er für das Gemeinwesen besondere Bedeutung beimisst. Die Auszeichnung wurde Mettenleiter am 13. Januar 2024 im Rahmen einer Feierstunde in Schwerin von Ministerpräsidentin Manuela Schwesig überreicht.