Кандидат физико-математических наук (1967). Тема кандидатской диссертации: «Дисперсионные правила сумм и свойства симметрии элементарных частиц». Доктор физико-математических наук (1972). Тема докторской диссертации: «Квазипотенциальная теория рассеяния в квантовой теории поля».
Профессор кафедры квантовой статистики и теории поля (1980—1992) и кафедры квантовой теории и физики высоких энергий (с 1992 года) физического факультета МГУ, где читает курс «Введение в физику элементарных частиц». Заслуженный профессор Московского университета (1999).
Директор Института ядерных исследований РАН (1987). Академик РАН (1994). Член президиума РАН (1996). Председатель Президиума Троицкого научного центра РАН (1997). Член Совета РАН по взаимодействию с Правительством Москвы и Московской области (1999). Член Комиссии РФ по экспортному контролю (1998). Член Президиума ВАК РФ (1999). Член совета РФФИ (1996—2000; 2004). Член Координационного совета по научно-техническим программам в области фундаментальной физики и астрономии при Министерстве науки и технической политики РФ (1994). Председатель Совета коллаборации ученых России и стран — участниц ОИЯИ в международном проекте эксперимента «Компактный мюонный соленоид» на большом адронном коллайдере в ЦЕРНе (Швейцария, 1996).
Член международного комитета «Астрофизика частиц и ядер, гравитация» Международного союза чистой и прикладной физики (IUPAP) (1998). Член редколлегии журнала «Ядерная физика» (с 1992 года).
Действительный член Международного Леонардо-клуба.
Область научных интересов: физика высоких энергий, теория элементарных частиц, квантовой теории поля, разработка релятивистских кварковых моделей элементарных частиц, теории составных систем в квантовой теории поля, формулировка сверхсходящихся дисперсионных правил сумм и их использование при изучении симметрии элементарных частиц и др.
Основные результаты относятся к исследованиям в области кварковой структуры ядерной материи, построения теории квантовых систем на основе принципов локальной квантовой теории поля, изучения закономерностей взаимодействия частиц и ядер при высоких энергиях. Одним из первых разработал теорию адронов на основе гипотезы о триплетах цветных кварков, сформулировал принцип автомодельности при высоких энергиях для объяснения наблюдаемого на опыте масштабно-инвариантного поведения процессов взаимодействия частиц и лёгких ядер, выдвинул концепцию скрытого цвета ядер и указал на принципиальную важность кварковых степеней свободы для понимания структуры ядер на малых расстояниях.
Внес большой вклад в создание современной экспериментальной базы исследований в области фундаментальной ядерной физики, физики высоких энергий и нейтринной астрофизики, в сооружение Московской мезонной фабрики, Баксанской нейтринной обсерватории и Байкальского глубоководного нейтринного телескопа, в разработку и реализацию программ научных исследований на этих уникальных научных установках.
Соавтор открытия в области структуры элементарных частиц «Правило кваркового счёта Матвеева — Мурадяна — Тавхелидзе», зарегистрированного в Государственном реестре открытий СССР в 1987 году.
Опубликовал более 300 научных работ, в том числе: