Tiến sĩ Bùi Xuân Nguyên nhận bằng Thạc sĩ Nội tiết tại Đại học Kishinev (Liên Xô cũ) năm 1974 và Khoa học tại Đại học Pierre-Marie Curie (Paris VI, Pháp) năm 1989. Ông là người tiên phong đưa công nghệ sinh sản tiên tiến và nghiên cứu tế bào gốc vào Việt Nam. Năm 1982, Tiến sĩ Nguyên tham gia nhóm nghiên cứu phôi thai tại INRA Jouy-en-Josas, nơi ông cùng với Giáo sư Jean-Paul Renard lần đầu tiên trên thế giới phát minh ra thuật ngữ mang thai bắt nguồn từ phôi đông lạnh bằng phương pháp đông lạnh nhanh. Năm 1998, ông được mời tham gia nhóm nhân bản do Giáo sư Y Tsunoda tại Đại học Kinki, Nhật Bản làm trưởng nhóm. Ông chịu trách nhiệm phát triển kỹ thuật thủy tinh hóa mới để bảo quản lạnh phôi có nguồn gốc từ chuyển nhân tế bào soma.
Tiến sĩ Nguyên đã chủ trì một số dự án nghiên cứu cấp quốc gia do Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam tài trợ và các dự án quốc tế hợp tác với các đối tác Pháp, Ý, Singapore, Cộng hòa Séc, Thái Lan, New Zealand, Nhật Bản và Mỹ. Ông được mời làm giáo sư tại Phòng thí nghiệm Phân tử Ung thư của Đại học Paris VI, nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Singapore, Đại học Pittsburgh-Mỹ. Ông cũng là thành viên của Hiệp hội Sinh học Lạnh, Hiệp hội Chuyển phôi Quốc tế (IETS), Hiệp hội Công nghệ sinh học Sinh sản Châu Á (ARB) và Tổ chức Tế bào Quốc tế (ICO), Chủ tịch Hiệp hội Công nghệ Sinh học Sinh sản Châu Á năm 2015. Ông là người đề xuất và đồng tổ chức hội thảo cấp chính phủ đầu tiên thảo luận về chiến lược quốc gia về R&D tế bào gốc tại Việt Nam. Ông đã xuất bản hơn 160 bài báo khoa học và các bài báo khác trên nhiều tạp chí hàng đầu trong nước và quốc tế.