Kasneje je študiral medicino v Kinšasi, od tam pa je odšel v Belgijo, kjer je leta 1973 na univerzi KU Leuven doktoriral iz virologije. Čeprav bi si v Evropi lahko zgradil udobno kariero, se je vrnil v domovino. Leta 1976 je kot mlad mikrobiolog stopil v vas Yambuku na severu države. Tamkajšnje prebivalce je kosila neznana bolezen, ki je povzročala visoko vročino in krvavitve. Brez zaščitne opreme je Muyembe bolni redovnici z golimi rokami odvzel vzorec krvi. Ko mu je kri stekla po koži, si jo je preprosto umil z milom in vodo. To dejanje, ki bi ga lahko stalo življenje, je spremenilo potek medicinske zgodovine.
Vzorce je zapakiral v led in jih poslal v Belgijo, kjer so virus izolirali in ga poimenovali po bližnji reki – Ebola. Medtem ko so tuji znanstveniki odhajali, je dr. Muyembe ostal na prvi bojni črti. Več kot štiri desetletja je preučeval virus, vodil odzive na neštete izbruhe in postal globalna avtoriteta za tropske bolezni. Kot direktor Nacionalnega inštituta za biomedicinske raziskave (INRB) v Kinšasi je vodil klinična testiranja, ki so pripeljala do odkritja mAbs114 (danes znanega kot ebanga) – enega prvih učinkovitih zdravil s protitelesi proti eboli. Čeprav je to zdravilo revolucionarno, pa deluje le na sev zaire; znanstveniki se tako danes soočajo z novim izzivom, saj ebanga žal ni učinkovita proti najnovejšemu izbruhu seva bundibugyo, kar bitko z virusom znova postavlja pred težko preizkušnjo.