Buyse doet onderzoek naar Europese mensenrechten, de rechtsstaat van onderaf, en de positie van maatschappelijke organisaties en mensenrechten (civil society). Daarbij probeert hij, met zijn achtergrond als historicus, het recht ook altijd vanuit een bredere maatschappelijke, politieke en historische context te onderzoeken.

Naast onderwijs aan studenten geeft hij ook trainingen aan rechters en diplomaten, advies aan regering en parlement in zijn werk voor de Adviesraad Internationale Vraagstukken en is hij actief voor een expertcomité van de Raad van Europa. Ook geeft hij regelmatig les aan kinderen, bijvoorbeeld tijdens het jaarlijkse Meet the Professsor en Operatie Breinbreker van de Universiteit Utrecht.

Al meer dan vijftien jaar runt hij ook de door hem opgerichte ECHR Blog over het Europees Verdrag voor de Rechten van de Mens. Hij is redactielid van de tijdschriften Netherlands Quarterly of Human Rights en het Nederlands Tijdschrift voor de Mensenrechten.