Buytendijk studeerde geneeskunde aan de Gemeentelijke Universiteit van Amsterdam. In 1909 legde hij zijn artsexamen af, in 1918 promoveerde hij. Hij was hoogleraar algemene fysiologie aan de Vrije Universiteit (1919-1925) en aan de Rijksuniversiteit te Groningen (1925-1946) en hoogleraar in de algemene en theoretische psychologie aan de Rijksuniversiteit Utrecht (1946-1957). Hij was in die jaren tevens buitengewoon hoogleraar te Nijmegen en gasthoogleraar te Leuven. Rondom hem ontstond na 1945 de Utrechtse School in de psychologie. Hij was vele jaren voorzitter van de Katholieke Centrale Vereniging voor Geestelijke Volksgezondheid. Buytendijk genoot internationale bekendheid en correspondeerde met geleerden van naam op het terrein van de psychologie, antropologie en filosofie