Karier Van Buyten dimulai sebagai penyerang di Charleroi, namun kemudian ia beralih menjadi bek tengah dan bermain untuk sejumlah klub top, termasuk Marseille, Manchester City, Hamburger SV, dan Bayern Munich. Selama karier profesionalnya, Van Buyten juga menjadi pemain reguler untuk tim nasional Belgia, dengan total 83 caps dalam karier internasionalnya yang berlangsung selama 13 tahun dan termasuk penampilan di dua Piala Dunia FIFA.

Van Buyten menjadi pemain Belgia pertama yang memenangkan Liga Champions UEFA ketika Bayern Munich meraih gelar Eropa pada tahun 2013.

Pada awal karier klubnya, Van Buyten bergabung dengan Olympique de Marseille pada musim panas tahun 2001, setelah meninggalkan klub Belgia Standard Liège yang telah ia bela sejak tahun 1999. Setelah dua setengah musim produktif bersama Marseille, pada 31 Januari 2004 Van Buyten sepakat untuk dipinjamkan ke Manchester City hingga akhir musim. Ia berhasil sukses selama masa pinjamannya di klub tersebut, dan mendapat pujian dari manajernya, terutama dalam penampilannya melawan Chelsea. Namun, mantan manajer Kevin Keegan mengakui bahwa "Saya tidak berpikir kami akan mempertahankannya di akhir musim karena saya merasa ia akan pergi ke klub besar lainnya." Setelah masa pinjamannya berakhir, Van Buyten kembali ke Marseille dan kemudian bergabung dengan klub Bundesliga, Hamburger SV, pada Juni 2004. Ia menandatangani kontrak berdurasi empat tahun dengan klub Jerman tersebut dan tampil dalam 61 pertandingan di kompetisi papan atas Jerman.

Pada Juni 2006, Bayern Munich mengumumkan bahwa mereka telah merekrut Van Buyten dari Hamburger SV dan menandatangani kontrak dengannya hingga musim 2009-2010. Van Buyten memiliki musim pertama yang sangat sukses di klub Bavaria tersebut, membentuk pasangan bek tengah yang efektif dengan Lúcio. Van Buyten mencetak gol pertamanya untuk Bayern melawan Energie Cottbus pada 9 Desember 2006, yang menjadi gol penentu kemenangan 2-1 bagi Die Roten. Ia kemudian mencetak gol keduanya untuk klub pada 26 Januari 2007, menyamakan kedudukan menjadi 1-1, tetapi Bayern kalah 2-3 dari Borussia Dortmund.

Mungkin kontribusi terpenting Van Buyten dalam musim debutnya adalah pada pertandingan melawan Milan pada 3 April 2007, dalam pertandingan leg pertama perempat final Liga Champions UEFA. Van Buyten mencetak dua gol tandang untuk menyamakan kedudukan dan memberikan keunggulan bagi Bayern Munich dalam pertandingan tersebut. Pada pertandingan perempat final melawan Milan, ia mencetak dua gol dengan kaki kirinya, satu gol pada menit ke-78 untuk menyamakan kedudukan menjadi 1-1, dan satu gol pada injury time. Pada 4 Februari 2010, Bayern Munich mengumumkan bahwa Van Buyten telah menandatangani kontrak baru yang akan mempertahankannya di klub hingga tahun 2012. Selama paruh kedua musim 2010-2011, Van Buyten lebih sering menjadi pemain cadangan, tetapi kembali mendapatkan tempat di starting XI menuju akhir musim. Ia menjadi bagian dari skuad Bayern Munich yang menghancurkan FC St. Pauli pada 11 Mei 2011, dengan mencetak satu gol dalam kemenangan 8-1 yang menurunkan FC St. Pauli ke divisi 2. Bundesliga. Pada 17 Desember 2011, dalam pertandingan antara Bayern Munich dan 1. FC Köln, Van Buyten mencetak tendangan bebas dengan begitu keras sehingga bola pecah. Pada 30 April 2012, Van Buyten menandatangani perpanjangan kontrak selama satu tahun dengan Bayern Munich. Meskipun kedatangan bek tengah Dante dari Borussia Mönchengladbach pada musim panas tahun 2012, Van Buyten tetap menjadi anggota penting di lini belakang Bayern Munich selama musim 2012-2013, sebagai bagian dari rotasi tiga pemain di posisi bek tengah bersama Dante dan Jérôme Boateng. Pada 6 April 2013, dengan kemenangan 1-0 atas Eintracht Frankfurt berkat gol dari Bastian Schweinsteiger, Van Buyten merayakan pertandingan ke-100 di Bundesliga.