生于贵州贵阳，卒于江苏南京。1932年在北平大学农学院毕业，后任中央地质调查所土壤研究室技正、室主任。1947年赴美攻读土壤矿物学，获密苏里大学硕士和威斯康星大学哲学博士学位。1951年归国，历任中国科学院地质调查所研究员，中国科学院土壤队队长，中国科学院土壤及水土保持研究所所长，中国科学院南京土壤研究所副所长、所长、名誉所长。曾任《土壤学报》和《环境学报》主编，中国科学院南京分院院长等职。曾兼任中国土壤学会副理事长，国际土壤学会（今国际土壤科学联合会）会员。1980年当选为中国科学院学部委员（院士）。

熊毅毕生致力于土壤科学研究，在土壤物理化学、土壤矿物学、盐渍土改良、土壤发生学、土壤肥力及土壤生态学方面有很深造诣。最早研究中国土壤的胶体化学和矿物学状况，基本阐明了中国土壤中黏粒矿物的分布规律。开创了水稻土的研究，发展了土壤肥力的综合观点，并开拓了土壤生态学研究的领域；在主持黄淮海平原治理工作中，首先提出以治水改土为中心，水利工程与农业生物措施结合，井灌井排，综合治理旱、涝、盐、碱的原则、方法和措施，为黄淮海平原综合治理与防治土壤盐碱化做出重大贡献。20世纪50年代中期，领导了华北平原的土壤调查工作。撰写和主编《中国土壤》《中国土壤图集》《华北平原土壤》和《土壤胶体》等220余篇（部）论著。