Bücheler studierte in Bonn bei Ritschl, promovierte 1856. Habilitation in Bonn 1858, im selben Jahr a. o. Professor in Freiburg Br., 1862 dort o. Professor, 1866 nach Greifswald, 1870 als Nachfolger Otto Jahns auf Useners Betreiben nach Bonn. Geheimer Regierungsrat.

Bedeutende Ausgaben u. a. des Pervigilium Veneris 1859, des Petron 1862, des Rechtes von Gortyn 1885, des Herondas 1892. Meisterhaft seine Carmina Latina epigraphica 1895/1897. Profunder Kenner der Geschichte der lateinischen Sprache und der italienischen Dialekte. Bahnbrechend sein Grundriß der lateinischen Deklination 1866. Philosophiegeschichtlich wertvoll: Academicorum philosophorum index Herculanensis 1869. Beteiligt an der Gründung des Thesaurus linguae Latinae. Die 34 Jahre seiner Lehrtätigkeit gemeinsam mit Hermann Usener bezeichnen die Höhe der Bonner Schule.