Ezt követően posztdoktori tanulmányokat végzett a Karolinska Intézet Klinikai Neurofiziológia Tanszékén és az Oxfordi Egyetem Kísérleti Pszichológia Tanszékén. Karrierje során több vezetői és vezetőfejlesztési képzési programban is részt vett a Londoni Egyetemen, az Oxfordi Egyetemen és a Harvard Business Schoolon. Emellett a Londoni Egyetem Heythrop College-ben BD címet (teológia, 2020), a Milton Keynes-i The Open Universityn CHEMS címet (matematika, 2022) szerzett, valamint a Leuveni Katolikus Egyetemen (1988), a Karolinska Intézetben (1997) és a Debreceni Egyetemen (1999) habilitált az orvostudomány terén.

Karrierje elején úttörő megfigyelésekkel járult hozzá a látásneurológia és az emberi agy funkcionális feltérképezése terén pozitronemissziós tomográfia (PET) alkalmazásával végzett kutatások fejlődéséhez. Később az érdeklődése a PET-alapú molekuláris neuro-képalkotás felé fordult, különös tekintettel a neurológiai és pszichiátriai betegségekre és ezek „humanizált" állati betegségmodelljeire. E tevékenység részét képezte a biomarker célpontok azonosítása, valamint a gyógyszeres és diagnosztikai képalkotó eljárások fejlesztésére irányuló vizsgálatok. Az utóbbi időben többek között a neurológia, a pszichiátria, az alap- és kognitív idegtudományok és neuro-képalkotás területein végez kutatásokat, legújabban különös figyelmet fordít az emberi agy rendkívüli képességei neurobiológiai alapjainak vizsgálatára.

​​​​Gulyás Balázs szerzőként vagy szerkesztőként tizennégy könyvet, mintegy negyven könyvfejezetet és több mint 300 tanulmányt publikált tudományos folyóiratokban (forrás: Scopus és ORCID), és közel egy tucat szabadalom létrejöttéhez járult hozzá. Többek között az Academia Europaea (Európa Akadémiája, ahol az Élettani és Idegtudományi Szakosztály elnöke), a Magyar Tudományos Akadémia, a Belga Királyi Orvostudományi Akadémia tagja. A londoni Imperial College London Orvostudományi Karának professzori valamint a Bécsi Orvostudományi Egyetem és az ausztráliai James Cook Egyetem vendégprofesszori címeit is megkapta.