Научная деятельность Н. Буртебаева связана изучением механизмов взаимодействия ядер и их структуры, где впервые получены большой объем новых экспериментальных данных по дифференциальным сечениям упругих и квазиупругих процессов взаимодействия нуклидов гелия с ядрами р и sd оболочек при энергиях 10-20 МэВ/нуклон. Буртебаев Н. в тесном сотрудничестве с Российскими учеными занимается комплексным исследованием природы и свойств кластерных образований в легких ядрах в ядерных реакциях с ионами d, 3,4Не и легких ядер в широком интервале энергии, включая область энергии вблизи кулоновского барьера. Начиная с 2001 года Н. Буртебаев занимается также экспериментальным и теоретическим исследованиями ядерных реакций индуцированных протонами и -частицами на легких ядрах для астрофизических и термоядерных приложений.

Кандидатскую диссертацию защитил в 1985 году по теме «Исследование упругого рассеяния -частиц с энергией 50,5 МэВ на ядрах с А=4-28», докторскую диссертацию по специальности 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц защитил в 2002 году на тему «Упругое рассеяния и квазиупругие процессы при взаимодействии 3Не и -частиц с легкими атомными ядрами». Звание профессора физики присвоено в 2004 году. Звание член-корреспондента Российской Академии Естествознания присвоено в 2011 г.

В настоящее время он является заместителем директора по научной и методической работе Института ядерной физики Республики Казахстан. Основным направлением деятельности Н. Буртебаева является организация и проведения научных и научно-технических исследований и мероприятий, направленных на развитие атомной энергетики и новых ядерных технологий, радиационной безопасности в Республике Казахстан, подготовка высококвалифицированных специалистов в области фундаментальной и прикладной ядерной физики, ядерной медицины.

В последние десять лет он является руководителем двух государственных научных тем Республики Казахстан, последний из них – «Получение экспериментальных ядерных данных на изохронном циклотроне У-150М и перезарядном ускорителе УКП-2-1» в рамках Научно-технической программы "Развитие атомной энергетики в Казахстане”. С 2012 года является научным руководителем темы «Изучение возбужденных гало-состояний нейтроноизбыточных ядер 9Ве, 11В, 13,15С и 15N» по республиканскому гранту «Интеллектуальный потенциал страны».

В период с 2001-2008 гг. он руководил международными проектами МНТЦ К-497 «Измерение и оценка ядерных данных, необходимых для астрофизических приложений» и К-1128 «Экспериментальные и теоретические исследования ядерных реакций индуцированных протонами и -частицами на легких ядрах для астрофизики», финансированных правительством США.

Буртебаевым Н., в соавторстве опубликовано cвыше 460 научных работ, в том числе две монографии. Основные его работы опубликованы в ведущих научных зарубежных и республиканских журналах: Phys. Rev. C; Nuc. Phys. A; Physical Script; Int. J. of Mod. Phys. E; Ядерная Физика; Изв. РАН, сер. физ.; Приборы и техника экспериментов; Изв. НАН РК; в трудах международных конференций и др. Количество публикации в журналах, индексируемых в Web of Science – 90. Индекс хирша – 9.

По результатам этих исследований под научным руководством Буртебаева Н. защищены 6 кандидатских диссертаций и 6 докторских диссертаций PhD, и подготовлены к защите материалы диссертаций еще одного докторантов PhD по специальности физика.

Буртебаев Н. успешно совмещает свою научную деятельность с подготовкой кадров для атомной отрасли Республики Казахстан по ядерным специальностям. При его непосредственном участии в период с 1997 года по настоящее время в ИЯФ МЭ РК организована система подготовки специалистов по ядерной физике, радиационной физике твердых тел, ускорительной технике и радиоэкологии совместно с ведущими вузами Республики Казахстан. При его активном содействии открыты международные кафедры ядерного профиля в Евразийском национальном университете им. Л.Н. Гумилева (2008 г.) и в Казахском национальном университете им. аль-Фараби (2010 г.) с участием Национального ядерного центра РК, Объединенного института ядерных исследований г. Дубна и Агентства по атомной энергии Японии. В настоящее время он является председателем ассоциаций выпускников физического факультета КазНУ им. аль-Фараби.

Наряду с этим, начиная с 1996 года, Буртебаев Н. регулярно читает лекций по экспериментальной и прикладной ядерной физике в университетах РК, руководит дипломными работами студентов и магистрантов выпускных курсов.

С 2003 по 2010 годы он являлся ученым секретарем диссертационного совета по защите докторской диссертации Д 60.01.01 при Национальном ядерном центре РК.

В период с 2006-2008 годы получал государственную научную стипендию для ученых и специалистов, внесших выдающийся вклад в развитие науки и техники в Казахстане.

Награжден Почетным нагрудным знаком 1 – ой степени «Заслуженный работник Атомной отрасли Республики Казахстан».

Основные научные интересы: экспериментальное и теоретическое исследования механизмов взаимодействия и структуры легких ядерных систем для астрофизических и термоядерных приложений.