Els seus interessos de recerca es troben principalment en processos relacionats amb la tectònica de plaques i la geodinàmica, així com la sismologia amb projectes recents sobre la interacció entre la topografia i els processos profunds a la Terra. Va ser membre de l'equip que va identificar per primera vegada l'estructura de la tectònica de plaques de més de 1.5 milions d'anys; va descobrir la Discontinuïtat Litosfèrica Mitjana d'importància fonamental l'evolució tectònica; i ha descobert un paper fonamental de l'activitat magmàtica per al desenvolupament de les conques sedimentàries d'importància econòmica. Ha estat iniciador de més de 40 projectes geocientífics col·laboratius internacionals a gran escala.
Hans Thybo és elegit membre de la Reial Acadèmia Danesa de Ciències, on va exercir com a vicepresident durant 6 anys; Academia Europaea; Acadèmia Noruega de Ciències i Lletres; i l'Acadèmia Danesa de Ciències Naturals, on és membre de la junta. És membre de la Geological Society of America i de la Royal Astronomical Society de Londres. Va ser representant nacional a l'ICSU i va presidir el comitè danès de l'ICSU 2006-2017. Ha estat membre extern de consells de professors i consells de recerca de diversos països. És editor honorari de la revista Tectonophysics i editor associat d'altres revistes. El 2017 va rebre el premi 1000 Talents de la Xina. Va ser cofundador de la Unió Europea de Geociències, on ha estat president de la divisió, secretari general i president. Thybo és actualment president del Programa Internacional de Litosfera (ILP).