Butenandt 1929-ben, csaknem egyidőben az amerikai E. A. Doisyval, izolálta az ösztront, a női nemi működésért és nemi fejlődésért felelős hormonok egyikét. 1931-ben izolálta és azonosította az androszteront, az egyik hím nemi hormont, 1934-ben pedig a progeszteront, amely a női szaporodási ciklusban játszik fontos szerepet. Sok kutatást végzett a nemi hormonok kölcsönhatásával és potenciális rákkeltő hatásával kapcsolatban. A kortizon ipari előállítása nagyrészt Butenandt hormonkutatásaira vezethető vissza.

Butenandt a Marburgi és a Göttingeni Egyetemen tanult, utóbbi helyen szerezte meg a doktori címet, 1927-ben. Ezután Göttingenben, majd a danzigi (ma: Gdansk, Lengyelország) Műszaki Főiskolán tanított, és 1936-ban a Kaiser Wilhelm Intézet (a későbbi Max Planck Intézet) igazgatója lett. A tudomány előmozdítására született Max Planck Társaság elnöki tisztét 1960-tól 1972-ig töltötte be.