1910年4月13日出生于日本东京，父亲熊继成是早年留学日本的农学家，1911年回国，曾任贵州农业学校校长，农场场长，贵州省垦植局长、蚕桑局长，贵州省农会会长等职。熊毅从小受到良好的家庭教育，养成用功读书的习惯，萌发了科学救国的思想。在中学时，对数学和物理很感兴趣，曾想学工。
1925年，毕业于贵州省立第一中学，因其父亲病故，年仅15岁的熊毅来到北平当时著名书画家姚茫父（又名姚华）舅舅家。在舅父的鼓励下，他考进北平大学农学院预科，两年后进入本科，在土壤学刘和的教导及其影响下，对土壤学产生了很大的兴趣，认识到当时中国的最大问题是吃饭问题，也就是要多生产粮食，而多生产粮食要靠肥料，所以，他选择了农业化学系。
1932年，北京大学农学院毕业获学士学位。同年被推荐到中央地质调查所土壤研究室工作。
1945-1947年，熊毅担任了中央地质调查所土壤研究室主任，除继续进行研究工作外，还撰写了《土壤工作十五年》（1946），全面概述了中国土壤科学研究初创时期的工作概况、学术贡献及事业的推进。
1947年，他获得中华文化教育基金的资助赴美深造。在国际土壤学权威密苏里大学马歇尔（C.E.Marshall）教授指导下，从事土壤矿物研究，1949年获硕士学位；后转到威斯康星大学，又在杰克逊（M.L.Jackson）教授指导下，从事土壤胶体研究，1951年获博士学位。
1951年8月，回到日夜怀念的祖国。
1958年，创办《土壤》杂志，并且担任主编，晚年还担任《生态学杂志》副主编和《环境科学》主编。他亲自审稿，严格把好刊物质量关，并对编辑人员严格要求，耐心指导，经常鼓励他们做好本职工作。
1978年，全国五届人大第一次会议正式提出“兴建把长江水引到黄河以北的南水北调工程”，熊毅根据多年从事黄淮海平原综合治理和农业开发的研究和实践经验，撰写了《南水北调应注意防治黄淮海平原土壤盐碱化》（1979）论文，文中论述了土壤次生盐碱化是南水北调成败的关键，并积极提出《对南水北调的几点意见》（1979）。
1979年起，他多次邀请美籍华人徐拔和教授来所讲学，传授新的学术思想和国际上的新进展，对中国土壤物理化学的研究起了有益的推动作用。在熊毅的晚年，终于挤出时间，组织和指导有关人员并亲自撰稿和审稿，编成《土壤胶体》第一册（物质基础）、第二册（研究方法）和第三册（胶体性质），分别于1983年、1985年和1990年由科学出版社出版发行。
1980年起，熊毅又主编了《中国土壤图集》。它总结了中国半个多世纪以来土壤科学的研究成果，是中国第一本大型的综合性和系统性的土壤专业图集，对生产和科学发展都具有重大意义，受到国内外学者的关注、重视和引用。
1985年1月24日 逝世于南京。
