汉语语音研究这个领域，大体可分为两个方面：一是历史语音学的研究，二是静态语音学的研究。赵元任先生对这两个方面都做过深入研究，他所做的工作具有开拓性的意义。他对现代汉语语音研究的贡献尤为突出，他调查记录了、描写分析了许多汉语方言的语音系统。20世纪初，他与黎锦熙、钱玄同等人运用现代语言学的理论，对北京话的语音系统进行了详尽的描写分析。他对现代汉语方言语音系统和北京音系的研究，改变了长期以来汉语语音研究中重古轻今的倾向。我国已故著名音韵学家张世禄曾说：“赵元任先生是我国采用新观点新方法新材料研究汉语音韵的前驱者之一。”

    国音的研究，也就是现代汉语标准音的研究，是赵元任先生语音研究的重要内容之一。他对老国音和新国音都做过系统研究。20世纪20—30年代，他对北京话的语音语调进行过深入的研究。在20年代论文《北平语调的研究》中，他对北京话的语调进行了详细的分析，建立了汉语语调的研究模式。文中关于口气语调的论述、分析和描写突出体现了他的学术创新精神，这方面的研究以前没有人系统地做过。赵元任在论述中性语调与口气语调的关系时，运用自己扎实的数学功底独创性地提出了“代数和”理论。他在30年代的论文《中国字调跟语调》中则讨论了汉语声调和语调的一些根本性的理论问题和方法论问题。50年代，他又从普通语言学的角度深入探讨了汉语字调和语调的关系。虽然有的学者并不同意他提出的“叠加”理论和“代数和”理论，但不可否认他为人们找到了一种新的认识方法。在语音研究方面，赵元任先生不仅是开创者之一，同时也是把研究不断引向深入的学者。

    在汉语语法方面，赵元任先生是第一个也是最成功地运用结构主义语言学的理论方法研究汉语语法的学者。1948年赵元任先生出版了《国语入门》（后由李荣先生编译为《北京口语语法》，开明书店1952年）。此书率先引进结构主义语言学的新方法分析了汉语语法的特点，建立了一套新的语法体系，给汉语语法研究带来了新思路，奠定了此后一个时期结构主义汉语语法研究的理论基础和基本格局。此书虽然借鉴了美国结构主义语言学的理论方法，但又不拘泥于这一学派的理论方法。他以活的语言为研究对象，善于发掘材料，这种重视从语言事实得出结论的研究思路为后人树立了榜样。可以说此书是中国现代语法学的奠基作之一，在语法分析的理论、方法和体系上对以后的汉语语法研究产生了极其深远的影响。

    赵元任先生还是中国社会语言学的先行者，他在社会语言学方面所做的研究，其范围和内容相当广泛，虽没有对社会语言学的学科性质、研究对象和范围方法等重大理论问题做过专门论述，但对社会语言学的一些重要研究领域却曾做过深入的研究，并发表过相当精辟的见解。他在社会语言学方面的研究涉及语言的社会属性、语言变异、语言接触、语言社会应用等方面。在其中多个研究方面他仍体现了一贯的学术创新精神。他于1931年发表的《反切语八种》是我国最早的一篇讨论语言集团变异的文章。这是一篇比较全面系统探讨从语音形式构成秘密语的论文。不仅细致描写了反切语的形式特点，还对其使用范围及其社会功能做了一些讨论和分析。他在语言教学方面的研究也有独到之处。由于他精通多种外语，因此经常从双语教学的角度，特别是从语言比较的角度来阐述问题。他吸收了直接教学法和听说教学法的合理成分，根据自己的教学经验和理论素养，富有独创性地提出了一套语言教学理论。这种理论对于今天我们的外语教学和汉语教学，仍然具有一定的指导意义。

    赵元任先生对语言有着深刻的认识，对研究语言的方法也有独到的见解，他在普通语言学方面的贡献也是学术界公认的。他借鉴西方自然科学的理论和方法，以一种新型的眼光看待语言学问题，从而使一些概念或现象得以合理的解释。1934年，赵元任先生在长期的汉语方言调查和深入的音位学理论研究的基础上，写出了论文《音位标音法的多能性》。文章阐明从语音材料归纳音位系统时可以有多种选择，答案不是唯一的，是可以有多种可能方式的。此文见解深入，用例恰当，逻辑严谨，是一篇超越同时代国际学者研究水平的论文。发表后得到了国际学术界的一致好评，成为音位学理论的经典文献，问世半个世纪以来，一直为各国语言学者广泛引用。美国语言学家裘斯在《语言学选读》中收录了此文，并作了简短的评论，其中说到“我们很难想到比赵元任的这篇文章更好的对早期音位学具有指导意义的单篇论文了。”

    1959年，赵元任先生又出版了《语言问题》这本著作。这本书实际上是赵先生系统地讲述语言学以及跟语言学相关问题的系列演讲的记录。赵先生用风趣的语言、丰富而生动的例子，为研究汉语的学者们提供了丰富的普通语言学知识。全书读起来深入浅出，通俗易懂，是一本很好的语言学理论的入门参考教材，先后被翻译成法文、西班牙文、葡萄牙文和日文。赵元任先生对普通语言学的贡献，除了多方面的深入见解之外，还有一项重大发明：五度制标调法。1930年他发表了A System of“Tone-letters”（《一套标调的字母》），创制了一套五度制的声调符号，为记录和描写各种声调提供了实用简便的方法。我国古代韵书对汉语声调的描写仅限于分类，也就是平、上、去、入的说法。赵元任先生在早期使用的声调线和标声符号的基础上，通过与刘复所做的大量实验，明确提出五度标尺，开创了用数字标调的新方法，这在标调历史上是一个里程碑。我国著名实验语音学家吴宗济称“这套调符是个革命性的发明。”