Bugge tok embetseksamen ved universitetet i 1857. Han fikk publisert sitt første vitenskapelige arbeid mens han fremdeles var student med artikkelen ”Om Consonant-Overgange i det norske Folkesprog” i Norsk Tidsskrift for Videnskab og Litteratur i 1852.
Sophus Bugges første bok, Gamle norske folkeviser ble utgitt i 1858, etter lengre studieopphold i Telemark for å samle inn og nedtegne materialet.
Allerede i sin samtid ble Sophus Bugge regnet som landets mest betydelige filolog og språkforsker. Det var den norrøne filologien og runeforskningen som etter hvert stod sentralt hos Bugge. I 1867 utkom kanskje Bugges viktigste filologiske arbeid – en utgave av Eddadiktene med tittelen Norrœn fornkvæði.
Innen runeforskningen hadde Bugge sitt gjennombrudd i 1865, da han med notisen ”Om Guldhorn-Indskriften” sa seg uenig med P. A. Munchs tolkning av innskriften. Utover på 1860- og 1870-tallet begrunner Bugge sin tolkning av runene og underbygger teoriene sine i en rekke artikler. Fra 1891 til 1903 utkom første bind av Norges Indskrifter med de ældre runer, som inneholdt 33 av innskriftene som Bugge hadde undersøkt.
Bugge var kjent som en god foreleser og lærer ved universitetet. Magnus Olsen, Bugges sekretær, formulerte det slik: ”Bugge gjorde universitetet til en helligdom for oss. Størst var han som menneske, hvor han kommer idealet nær.”