李毓龙实验室集中在神经元通讯的基本结构突触上，从两个层面上开展研究：一是开发前沿的工具，即开发新型成像探针，用于在时间和空间尺度上解析神经系统的复杂功能；二是借助先进的工具探究突触传递的调节机制，特别是在生理及病理条件下对神经递质释放的调节。

具体而言，对于工具开发，集中于：1，结合光遗传学和荧光成像，无损伤性的研究神经元之间的电突触连接。电突触的异常可导致耳聋、癫痫、脑部肿瘤和心脏功能异常等疾病。2，开发可遗传编码的检测神经递质/调质的荧光探针。神经递质/调质是神经元化学突触传递的关键介导分子，与感知、学习和记忆以及情绪密切相关。

利用上述荧光探针，功能性和生理性的研究集中于：1，结合双光子成像和可遗传编码的荧光探针，使用果蝇和小鼠作为模式生物，研究嗅觉传导或睡眠过程中脑的工作机制。2，寻找上述新型化学递质/调质小分子的对应受体，即寻找“孤儿”受体的配体。3，结合生物信息学、分析化学、生物化学、生理学和成像学方法，系统地探索和鉴定潜在的新型小分子神经递质。

李毓龙建立了一系列新型遗传编码的神经递质荧光探针，如已经发表的乙酰胆碱探针、多巴胺探针和肾上腺素探针，从而可以实时、定量研究神经递质的释放在生理以及病理作用下的重要作用。

截至2023年5月，李毓龙先后以第一、通讯作者在《细胞（Cell）》《神经元（Neuron）》《自然生物技术（Nature Biotechnology）》《自然方法（Nature Methods）》《自然神经科学（Nature Neuroscience）》等国际学术刊物发表研究论文130多篇。

李毓龙坚持“授人以鱼不如授人以渔”的教育理念，采用“问题导向”的启发式教学，注重引导学生深入探讨科学问题和科学发现背后的“隐藏故事”，掌握运用科学家思考和解决问题的思路和方法。

截至2023年10月，李毓龙培养的多位博士生获国家奖学金、吴瑞奖学金、北京市和北京大学优秀毕业生，课题组多篇论文被评选为北京大学优秀博士毕业论文。

李毓龙讲授“高级神经生物学”“生命科学前沿文献阅读讨论”“综合科学实验课程”“遗传学讨论课”“神经生物学进展”“现代生物学实验技术原理及其应用”“高级生物物理学”“心理/神经/脑科学基础”等课程。

李毓龙在“发展新型遗传编码荧光探针，解析生理及病理情况下神经递质的调控”方面作出了创新性贡献。（中源协和生命医学创新突破奖评）

李毓龙在助力解析生理及病理情况下神经元的通讯连接”方面作出了创新型贡献。（科学探索奖评）