В 1931—1933 годах доцент Гёттингенского университета, в 1933—1936 годах профессор Высшей технический школы в Данциге (ныне Гданьск). Затем директор институтов биохимии: в Берлине (1936—1944), в Тюбингене (1944—1956) и в Мюнхене (с 1956). С 1960 года президент общества им. М. Планка.
Работы посвящены химии половых гормонов. Бутенандт выделил из мочи человека андростерон и дегидроэпиандростерон (1931), изучил их химическое строение, осуществил синтез мужского полового гормона тестостерона, в 1934 году получил в чистом виде гормон жёлтого тела — прогестерон.
Нобелевская премия по химии (1939; совместно со швейцарским учёным Л. Ружичкой). Исследования Бутенандт биохимии гормональных веществ у насекомых отмечены премией им. П. Эрлиха.