25-åringen flyttade till Red Rose från Somerset 2013 och hans nya affär binder honom till klubben fram till 2019.
Kortformat specialist Buttler har gjort mål Englands tre snabbaste ODI århundraden, inklusive en 46-ball ton mot Pakistan förra året.
"Jos är en av de mest begåvade cricketspelare i spelet," sade cricket regissör och huvudtränare Ashley Giles.
"Hans närvaro i förra årets T20 Blast final på Edgbaston var en faktor i att vi vann tävlingen.
"Jos är en bra kille att ha i omklädningsrummet också och hans erfarenhet på internationell nivå verkligen gynnar truppen."
Buttler, som har spelat i den indiska Premier League med Mumbai indianer, kommer att återvända till Lancashire för fredagens T20 Blast hemmamatch mot Durham.
England Wicketkeeper Jos Buttler har tecknat ett nytt treårigt kontrakt med Lancashire.