I suoi interessi di ricerca sono principalmente nei processi correlati alla tettonica a placche e alla geodinamica, nonché alla sismologia, con recenti progetti sull'interazione tra topografia e processi profondi nella Terra. È stato membro del team che per primo ha identificato la struttura di una tettonica a placche vecchia di oltre 1.5 miliardi di anni; ha scoperto la discontinuità litosferica media di fondamentale importanza per l'evoluzione tettonica; e ha scoperto un ruolo fondamentale dell'attività magmatica per lo sviluppo di bacini sedimentari economicamente importanti. È stato l'iniziatore di oltre 40 progetti geoscientifici collaborativi internazionali su larga scala.
Hans Thybo viene eletto membro dell'Accademia reale danese delle scienze, di cui è stato vicepresidente per 6 anni; Accademia europea; Accademia norvegese delle scienze e delle lettere; e l'Accademia danese di scienze naturali, di cui è membro del consiglio. 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 nel periodo 2006-2017. È stato membro esterno di consigli di facoltà e di consigli di ricerca in diversi paesi. È redattore onorario della rivista Tectonophysics e redattore associato di altre riviste. Nel 2017 ha ricevuto il Premio 1000 Talents 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).
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