ยงยุทธ ยุทธวงศ์ เป็นอาจารย์ที่ภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล (2512) จนได้รับโปรดเกล้าฯเป็นศาสตราจารย์ (2526) และศาสตราจารย์ระดับ 11 (2532) ตามลำดับ ทำงานวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิส (2516-8) กับ ศาสตราจารย์พอล บอเยอร์ (ผู้ได้รับรางวัลโนเบล) ได้รับเชิญเป็นศาสตราจารย์เยี่ยม ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานฟรานซิสโก (2533) และ Distinguished Scholar-in-Residence ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (2551) งานวิจัยส่วนใหญ่เป็นงานด้านการพัฒนายาต้านมาลาเรีย โดยเฉพาะกลุ่มของยาที่เรียกว่า แอนติโฟเลต และชีวเคมีพื้นฐานของมาลาเรีย

นอกจากนั้นแล้วยังเป็นนักวิจัยอาวุโสที่ศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ และที่ปรึกษาอาวุโสของผู้อำนวยการ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ผลงานที่สำคัญ คือการค้นพบกลไกของการดื้อยาแอนติโฟเลตของเชื้อมาลาเรีย ซึ่งเกิดจากการกลายพันธุ์ของเอ็นไซม์ในเชื้อที่เป็นเป้าหมายของยา ได้ค้นพบโครงสร้างของเอ็นไซม์นี้ ทำให้สามารถออกแบบและสังเคราะห์ยาใหม่ที่มีฤทธิ์ต่อเชื้อที่ดื้อยาเก่าได้ มีผลงานวิจัยตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติ 112 เรื่อง เขียนหนังสือและตำรา 11 เรื่อง สิทธิบัตร 3 เรื่อง เป็นผู้มีผลงานเด่นในเรื่องเกี่ยวกับมาลาเรียและนโยบายวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ได้รับรางวัลนักวิทยาศาสตร์ดีเด่น สาขาชีวเคมี เมื่อปี พ.ศ. 2527 เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกของโลกที่ค้นพบโครงสร้าง 3 มิติของโปรตีนของเชื้อมาลาเรีย ที่มีความสำคัญโดยเป็นเป้าหมายของยาต้านมาลาเรีย[3] และค้นพบการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างและคุณสมบัติหลายประการของเยื่อหุ้มเม็ดเลือดแดงที่ติดเชื้อมาลาเรีย และความเกี่ยวโยงระหว่างการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้กับอาการของโรคนี้ทางโลหิตวิทยา ค้นพบเอนไซม์ใหม่และวิถีปฏิกิริยาใหม่ของเชื้อมาลาเรีย โดยเฉพาะที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์และใช้สารโฟเลต อันเป็นแนวทางในการพัฒนายาต้านมาลาเรียชนิดใหม่[4]

ยงยุทธ ยุทธวงศ์ เป็นผู้อำนวยการศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ ในปี พ.ศ. 2528 ถึงปี พ.ศ. 2534 และเป็นผู้อำนวยการคนแรกของสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ ในปี พ.ศ. 2535[5] ถึงปี พ.ศ. 2541 และภายหลังการรัฐประหารในประเทศไทย พ.ศ. 2549 เขาได้รับแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีว่าการกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ในคณะรัฐมนตรีของ พลเอกสุรยุทธ์ จุลานนท์[6] และได้รับแต่งตั้งเป็นรองนายกรัฐมนตรี[7] ในรัฐบาลของพลเอกประยุทธ์ จันทร์โอชา ซึ่งตั้งขึ้นหลังการรัฐประหารในประเทศไทย พ.ศ. 2557 กระทั่งพ้นจากความเป็นรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 20 สิงหาคม พ.ศ. 2558

ในระดับนานาชาติ ยงยุทธ ยุทธวงศ์ ได้รับการเลือกตั้งให้เป็น Chairman, UNESCO International Bioethics Committee (2012-5) และเป็นกรรมการในคณะกรรมการนานาชาติหลายชุด (WHO, UNESCO, Bill and Melinda Gates Foundation, Roll Back Malaria ฯลฯ)