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吴孟超创造性地提出肝脏“五叶四段”解剖理论，创建了常温下间歇性肝门阻断切肝法，并在前期研究中首次发现“普通及肝硬化患者术后的生物化学代谢变化规律”，为解决这一共性问题提供了新思路。他率先成功施行以肝叶切除为代表的一系列标志性手术，形成了一套具有特色的肝外科关键理论与技术，并初步形成了一套具有国际影响力的肝外科学科体系。
他还开辟了肝癌基础与临床研究的新领域。针对肝癌发现时多为晚期、巨大且不能切除者居多的特点，吴孟超提出“二期手术”的概念，即对巨大肝癌先综合治疗，待肿瘤缩小后再行手术切除，为晚期肝癌的治疗开辟了一条新的治疗途径；针对肝癌术后复发多、但又缺乏有效治疗的特点，率先提出“肝癌复发再手术”的观点，显著延长了肝癌患者的生存时间；针对中国肝癌合并肝硬化多，术后极易导致肝功能衰竭的特点，提出肝癌的局部根治性治疗策略，使肝癌外科的疗效和安全性得到有机统一。
吴孟超领导的多项基础研究取得了国际领先的成果，自主研发了两种新型的抗肿瘤疫苗，并发明了携带抗癌基因的增殖性病毒载体，相关成果已在《科学》《自然·医学》等期刊上发表。他创建了世界上规模最大的肝脏疾病研究和诊疗中心，培养了大批高层次专业人才。