Sus intereses de investigación se centran principalmente en los procesos relacionados con la tectónica de placas y la geodinámica, así como la sismología con proyectos recientes sobre la interacción entre la topografía y los procesos profundos en la Tierra. Fue miembro del equipo que identificó por primera vez la estructura de la tectónica de placas de más de 1.5 millones de años; descubrió la Discontinuidad Litosférica Media de fundamental importancia la evolución tectónica; y ha descubierto un papel fundamental de la actividad magmática para el desarrollo de las cuencas sedimentarias de importancia económica. Ha sido iniciador de más de 40 proyectos geocientíficos colaborativos internacionales a gran escala.
Hans Thybo es elegido miembro de la Real Academia de Ciencias de Dinamarca, donde ocupó el cargo de vicepresidente durante 6 años; Academia Europaea; Academia Noruega de Ciencias y Letras; y la Academia Danesa de Ciencias Naturales, donde es miembro de la junta. Es miembro de la Sociedad Geológica de América y la Real Sociedad Astronómica de Londres. Fue representante nacional de ICSU y presidió el comité danés ICSU 2006-2017. Ha sido miembro externo de juntas de profesores y consejos de investigación en varios países. Es editor honorario de la revista Tectonophysics y editor asociado de otras revistas. En 2017 recibió el premio 1000 Talents de China. Fue cofundador de la Unión Europea de Geociencias, donde se ha desempeñado como presidente de división, secretario general y presidente. Thybo es actualmente presidente del Programa Internacional de Litosfera (ILP).