Il devient alors archiviste en chef de la Creuse en 1944, où il fait enquêter sur la disparition de Marc Bloch[3], et collecte des archives de l’Occupation en application des consignes officielles[4], puis il est chargé de recherches en Italie pour le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) de 1945 à 1948. Il participe à des missions administratives consécutives à la modification de la frontière italienne (membre de la délégation française pour l’exécution des clauses d’archives du traité de paix franco-italien de 1947 (1948), et délégué à la remise des archives de la Savoie et de Nice à la France (1949-1952). Il est également chargé de la négociation des litiges franco-allemands (« archives extradées d’Alsace et de Lorraine ») et des échanges d’archives franco-allemands (1951-1952).
Il reprend ensuite son poste de conservateur d'archives, d'abord aux Archives nationales puis à la direction des Archives de France, et comme chargé du Service des Études et du stage international des Archives (1948-1958).
Il est nommé attaché de recherche en 1958 au CNRS et est chargé d'un cycle de conférence de l'École nationale des chartes où il devient en 1961 professeur de diplomatique et d'archivistique à l’École nationale des chartes (chaire de diplomatique en 1961, chaire d’archivistique et d’historiographie en 1970) jusqu'en 1990, puis professeur en surnombre (1990-1992).
Il est l'auteur d'articles sur la diplomatique, la sigillographie, les archives médiévales et la production des actes au Moyen Âge.
Helgaud de Fleury. Vie de Robert le Pieux, 1965 (édition et traduction annotée, en coll. de G. Labory)
Recueil des actes d’Eudes, roi de France (888-898), 1967
Les sources de l’histoire économique et sociale du Moyen Âge. 1re série (1968-1974), Provence, Comtat Venaissin, Dauphiné, États de la maison de Savoie. 2e série (1984), États de la maison de Bourgogne (en collaboration avec J. Sornay), 1968-1984
André de Fleury, 1969 (édition et traduction annotée, en collaboration avec G. Labory)
The economic development of Medieval Europe, 1971
Recueil des actes de Louis II le Bègue, Louis III et Carloman, rois des Francs (877-884), 1979 (en collaboration avec F. Grat, J. de Font-Réaulx et G. Tessier)
La France de Philippe Auguste : le temps des mutations, 1982 (collectif)
Les origines de l’abbaye de Bouxières-aux-Dames (diocèse de Toul). Reconstitution du chartrier et édition critique des chartes antérieures à 1200, 1987
Chartes, sceaux et chancelleries : études de diplomatique et de sigillographie médiévales, 2 vol., 1990
Vocabulaire international de la sigillographie, 1990
Recherches sur l’histoire de la France médiévale : des Mérovingiens aux premiers Capétiens, 1991, présentation en ligne.
Études sur la France capétienne : de Louis VI aux fils de Philippe le Bel, 1991
Sur l’histoire économique de la France médiévale : routes, foires, draperies, 1992
Château de Langeais : histoire et guide-itinéraire du Musée, 1992
Le Musée Jacquemart-André à Chaalis : historique de l’abbaye royale de Chaalis et guide-itinéraire des collections du Musée, 1992
Commerce méditerranéen et banquiers italiens au Moyen Âge, 1992
Michel Pastoureau, « Robert-Henri Bautier, un homme à nul autre pareil », Revue française d'héraldique et de sigillographie, nos 80-82, 2010-2012, p. 11-13.
Jean-Luc Chastel, « Robert-Henri Bautier, et la sigillographie », Revue française d'héraldique et de sigillographie, nos 80-82, 2010-2012, p. 13-20.