Han fikk tidlig interesse for forskning og startet sitt doktorgradsarbeide i beintilheling og biomaterialer ved Inst. for Kirurgisk Forskning ved Rikshospitalet i 1988. Doktorgraden ble fullført i 1993. Han har også drevet utstrakt klinisk forskning innen artroskopisk kirurgi, korsbåndskader, leddbruskskader og bruddbehandling, og han har til sammen publisert rundt 60 vitenskaplige artikler.

Som professor i ortopedisk kirurgi ved Universitetet i Bergen (Haraldsplass Diakonale Sykehus) siden 2009, har han ansvar for ortopedisk forskning, utdannelse av medisin-studenter og veiledning av PhD kandidater.

Siden starten av sin kliniske karriere, har han interessert seg for artroskopisk kirurgi med dr. Torbjørn Strand som første mentor. Solheim har svært stor erfaring i artroskopisk kirurgi i skulder, albue, kne og ankel.