Tema uurimisvaldkonnad on peamiselt laamtektoonika ja geodünaamika ning seismoloogiaga seotud protsessid ning hiljutised projektid maa topograafia ja süvaprotsesside koosmõju kohta. Ta oli meeskonna liige, kes tuvastas esmakordselt enam kui 1.5 miljardi aasta vanuse laamtektoonika struktuuri; ta avastas keskmise litosfääri katkestuse, millel on tektoonilise evolutsiooni jaoks fundamentaalne tähtsus; ja ta on avastanud magmaatilise aktiivsuse olulise rolli majanduslikult oluliste settebasseinide arengus. Ta on olnud enam kui 40 suuremahulise rahvusvahelise geoteadusliku koostööprojekti algataja.
Hans Thybo valitakse Taani Kuningliku Teaduste Akadeemia liikmeks, kus ta töötas 6 aastat asepresidendina; Academia Europaea; Norra Teaduste ja Kirjanduse Akadeemia; ja Taani Loodusteaduste Akadeemia, kus ta on juhatuse liige. Ta on Ameerika Geoloogiaühingu ja Londoni Kuningliku Astronoomiaühingu liige. Ta oli ICSU riiklik esindaja ja Taani ICSU komitee esimees aastatel 2006–2017. Ta on olnud teaduskondade nõukogude ja teadusnõukogude välisliige mitmes riigis. Ta on ajakirja Tectonophysics autoimetaja ja teiste ajakirjade kaastoimetaja. 2017. aastal sai ta Hiinalt 1000 talendi auhinna. Ta oli Euroopa Geoteaduste Liidu kaasasutaja, kus ta on olnud osakonna president, peasekretär ja president. Thybo on praegu rahvusvahelise litosfääriprogrammi (ILP) president.