I 1845 ble Buchheim tildelt sin doktorgrad fra Universitetet i Leipzig, og snart begynte han som professor ved Universitetet i Dorpat (Tartu). Mens han var professor ved Dorpat skapte han den første farmakologiske institutt ved dette universitetet. I 1867 ble Buchheim ansatt som professor i farmakologi og toksikologi ved Universitetet i Giessen. Buchheim blir mest husket for hans pionerarbeid innenfor eksperimentell farmakologi.