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Buch studierte zusammen mit seinem Kommilitonen, dem später weltbekannten Geografen Alexander von Humboldt, an der Bergakademie in Freiberg bei dem damals berühmten Mineralogen Abraham Gottlob Werner und bereiste anschließend weite Teile Europas - er gilt heute als einer der ersten Feldforscher.
Das Hauptaugenmerk seiner breit angelegten geologischen Studien galt zunächst dem Phänomen des Vulkanismus, später wandte er sich der Fossilienforschung, wo er den Begriff Leitfossil prägte, und der Stratigraphie zu. Als eine seiner bedeutendsten Leistungen gilt seine 1839 in Buchform veröffentlichte wissenschaftliche Definition des Gesteinssystems des Jura.
Von Buch verstarb am 4. März 1853 im Alter von achtundsiebzig Jahren in Berlin. Nach ihm ist die jährlich vergebene Leopold-von-Buch-Plakette der Deutschen Geologischen Gesellschaft (DGG) benannt.
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