Seine Forschungsinteressen liegen hauptsächlich in Prozessen der Plattentektonik und Geodynamik sowie in der Seismologie, wobei seine jüngsten Projekte das Zusammenspiel zwischen Topographie und tiefen Prozessen in der Erde untersuchen. Er war Mitglied des Teams, das als erster die Struktur von über 1.5 Milliarden Jahre alten Plattentektoniken identifizierte; er entdeckte die für die tektonische Evolution fundamental wichtige Diskontinuität der mittleren Lithosphärischen Zone; und er entdeckte die grundlegende Rolle der magmatischen Aktivität für die Entwicklung der wirtschaftlich wichtigen Sedimentbecken. Er war Initiator von über 40 groß angelegten internationalen geowissenschaftlichen Gemeinschaftsprojekten.
Hans Thybo ist gewähltes Mitglied der Königlich Dänischen Akademie der Wissenschaften, deren Vizepräsident er 6 Jahre lang war; der Academia Europaea; der Norwegischen Akademie der Wissenschaften und der Dänischen Akademie der Naturwissenschaften, deren Vorstandsmitglied er ist. Er ist Fellow der Geological Society of America und der Royal Astronomical Society, London. Er war nationaler Vertreter bei der ICSU und leitete von 2006 bis 2017 das dänische ICSU-Komitee. Er war externes Mitglied von Fakultätsräten und Forschungsräten in mehreren Ländern. Er ist Ehrenherausgeber der Zeitschrift Tectonophysics und Mitherausgeber anderer Zeitschriften. 2017 erhielt er den 1000 Talents Award von China. Er war Mitbegründer der European Geosciences Union, wo er als Divisionspräsident, Generalsekretär und Präsident fungierte. Thybo ist derzeit Präsident des International Lithosphere Program (ILP).
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