Ses intérêts de recherche portent principalement sur les processus liés à la tectonique des plaques et à la géodynamique ainsi qu'à la sismologie avec des projets récents sur l'interaction entre la topographie et les processus profonds de la Terre. Il était membre de l'équipe qui a identifié pour la première fois la structure d'une tectonique des plaques vieille de plus de 1.5 milliard d'années ; il a découvert la discontinuité de la lithosphérique moyenne d'une importance fondamentale pour l'évolution tectonique; et il a découvert un rôle fondamental de l'activité magmatique pour le développement des bassins sédimentaires économiquement importants. Il a été l'initiateur de plus de 40 projets géoscientifiques collaboratifs internationaux à grande échelle.
Hans Thybo est élu membre de l'Académie royale danoise des sciences, dont il a été vice-président pendant 6 ans ; Académie européenne ; Académie norvégienne des sciences et des lettres ; et l'Académie danoise des sciences naturelles, dont il est membre du conseil d'administration. Il est membre de la Geological Society of America et de la Royal Astronomical Society de Londres. Il a été représentant national auprès de l'ICSU et a présidé le comité danois de l'ICSU de 2006 à 2017. Il a été membre externe de conseils de faculté et de conseils de recherche dans plusieurs pays. Il est rédacteur honoraire de la revue Tectonophysics et rédacteur associé d'autres revues. En 2017, il a reçu le prix 1000 Talents de Chine. Il a été cofondateur de l'Union européenne des géosciences, où il a été président de division, secrétaire général et président. Thybo est actuellement président du Programme international de lithosphère (ILP).
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