Er entstammte einem alten uckermärkischen Adelsgeschlecht. Buch studierte von 1793 bis 1796 in Freiberg an der Bergakademie. Forschungsreisen führten ihn durch Europa und 1815 auch zu den Kanarischen Inseln. 1796 war er Bergreferendar beim oberschlesischen Bergamt. 1806 bzw. 1808 war Buch Mitglied der Akademie der Wissenschaften und Mitbegründer der Deutschen Geologischen Gesellschaft. Auch London und Paris riefen ihn an ihre Akademien. Von 50 wissenschaftlichen Gesellschaften wurde von Buch mit der Ehrenmitgliedschaft gewürdigt. Er betrieb chemisch-mineralogische und physikalische Studien. 1812 wurde er zum preußischen Kammerherrn ernannt. Er erarbeitete die erste geologische Karte Deutschlands. In der Paläontologie gilt er als Begründer der Stratigraphie. 1836 publizierte er "Über Erhebungskrater und Vulkane", und drei Jahre später folgte seine Arbeit "Über den Jura in Deutschland". Am 31.5.1842 wurde er einer der ersten Ritter des Ordens Pour le mérite für Wissenschaften und Künste. Buch wohnte (1826) Unter den Linden 12.