I suoi interessi di ricerca riguardano principalmente i processi relativi alla tettonica a zolle e alla geodinamica, nonché la sismologia con recenti progetti sull'interazione tra topografia e processi profondi nella Terra. Era un membro del team che per primo ha identificato la struttura da più di 1.5 miliardi di anni di tettonica a zolle; scoprì la Discontinuità Medio Litosferica di fondamentale importanza per l'evoluzione tettonica; e ha scoperto un ruolo fondamentale dell'attività magmatica per lo sviluppo dei bacini sedimentari economicamente importanti. È stato promotore di oltre 40 progetti geoscientifici collaborativi internazionali su larga scala.
Hans Thybo viene eletto membro della Royal Danish Academy of Sciences, dove è stato vicepresidente per 6 anni; Academia Europaea; Accademia norvegese delle scienze e delle lettere; e l'Accademia danese di scienze naturali, di cui è membro del consiglio di amministrazione. È membro della Geological Society of America e della Royal Astronomical Society di Londra. È stato rappresentante nazionale presso l'ICSU e ha presieduto il comitato danese dell'ICSU 2006-2017. È stato membro esterno di consigli di facoltà e consigli di ricerca in diversi paesi. È editore onorario della rivista Tectonophysics e editore associato di altre riviste. Nel 2017 ha ricevuto il 1000 Talents Award dalla Cina. È stato cofondatore della European Geosciences Union, dove ha ricoperto il ruolo di presidente di divisione, segretario generale e presidente. Thybo è attualmente Presidente dell'International Lithosphere Program (ILP).