Приехав в Петербург, Буняковский занялся педагогической деятельностью: преподавал в 1-м кадетском корпусе (1827г.), в морском корпусе (1827-1862гг.) и в Институте путей сообщения (1830-1846гг.). В 1846-1859гг. читал курсы аналитической механики, теории вероятностей и математического анализа в Петербургском университете. С 1858г. был главным экспертом производства по вопросам статистики и страхования.
Обширна и плодотворна научная деятельность Буняковского. Список его сочинений содержит 168 названий. Работал преимущественно над теорией чисел и теорией вероятностей с ее приложениями; ему принадлежат также работы, посвященные вопросам анализа, геометрии и алгебры. Интересовался практикой вычислений, предложил усовершенствованный вариант русских счетов. Важнейшее место в деятельности Буняковского занимают труды по теории вероятностей. Его сочинение "Основания математической теории вероятностей" (1846г.) содержит, кроме оригинального изложения самой теории вероятностей, историю возникновения и развития этой науки и множество ее приложений к страхованию, демографии и т.п. Ряд известнейших статей Буняковского посвящен статистике народонаселения, подсчету вероятных контингентов русской армии, решению задач судопроизводства, определению погрешности наблюдений и т. д. Все эти работы содействовали успешному развитию теории вероятностей в России. Работы по теории чисел о сравнениях, квадратичном законе взаимности и другие возродили в русской науке интерес к теории чисел, успешно разрабатывавшейся в Петербургской Академии Наук в XVIII в. В математическом анализе большое значение имеет открытое Буняковским неравенство, которое иногда, называют неравенством Шварца, хотя Г. А. Шварц нашел это неравенство только в 1875г., т.е. на 16 лет позднее. Работы Буняковского по геометрии относятся преимущественно к теории параллельных линий.
Наряду с М. В. Остроградским и