Virtanens herausragende Verdienste liegen in der Kombination der Erforschung grundlegender biochemischer Prozesse mit der höchst erfolgreichen Anwendung der Ergebnisse in der Landwirtschaft, speziell auch derjenigen seines Vaterlands, dem er mit ganzem Herzen verbunden war. Virtanen promovierte 1919 mit einem Thema aus der Naturstoffchemie und leitete von 1921 bis 1970 das Laboratorium des Zentralverbands der Finnischen Molkereigenossenschaften Valio. Als Dozent und seit 1939 Professor an der Universität Helsinki baute er eine große Arbeitsgruppe auf, die seit 1931 im Biochemischen Forschungsinstitut in Helsinki beheimatet war und aus der ungefähr 1400 Originalveröffentlichungen hervorgingen. Virtanen leistete wichtige Beiträge zur Erforschung des Kohlenhydrat-Abbaus in Bakterien, Pflanzen und Tieren. 

Er arbeitete über die Biosynthese von Vitaminen und isolierte zahlreiche neue pflanzliche Inhaltsstoffe, deren Bedeutung für die Ernährung von Menschen und Nutztieren er diskutierte. Das Studium der zellulären Eiweißsynthese führte Virtanen zu den Problemen der Stickstoffbindung in Leguminosen. Es gelang ihm, Methoden zur Gewinnung eiweißreichen Grünfutters im Sommer und zu dessen möglichst verlustloser Konservierung für den Winter durch spezielle Silage-Verfahren zu entwickeln, die nicht nur in Finnland allgemein eingeführt wurden, sondern auch weit darüber hinaus zur Verbreiterung der Ernährungsbasis beitrugen. Bis in seine letzten Lebensjahre hat er über wichtige Fragen der tierischen und menschlichen Ernährung gearbeitet und seine Gedanken einem breiten Publikum vermittelt. 

Von Virtanens zahlreichen Auszeichnungen sei nur der Nobelpreis für Chemie 1945 erwähnt.