赵元任被称为“中国语言学之父”，会说33种汉语方言，并精通英、德、法等多国语言。他从小就显露出语言天才，各种方言一学就会。研究者称，赵先生掌握语言的能力非常惊人，因为他能迅速地穿透一种语言的声韵调系统，总结出一种方言乃至一种外语的规律。
赵元任还被称为罕见的通才、一个“文艺复兴式的智者”。他文理兼修，获得数学学士学位，哲学硕士、博士学位，并选修物理、音乐，教授过数学、物理学、逻辑学、中国音韵学、普通语言学、中国现代方言、中国乐谱乐调和西洋音乐欣赏等课程，他在语言学领域着力最深，在音乐领域也很深的涉猎。
1926年，赵元任到清华国学研究院担任导师，与他出生时就已经声名赫赫的前辈梁启超、王国维，以及另外一位国学大师陈寅恪并称清华国学研究院“四大导师”。
赵元任一生有一份煊赫的求学和教学经历：
1907年，赵元任进入南京江南高等学堂预科，成绩优异，英语、德语都学得很好。
1909年，赵元任考取了留学美国的官费生，进入康乃尔大学学习，主修数学，选修物理、音乐。1914年，赵元任获数学学士学位。赵元任在康奈尔大学的数学课程获得过两个100分，一个98分，多年保持了该大学平均成绩的最高纪录。
1914至1915年，赵元任在康乃尔大学校哲学院研究学习一年。
1915年，赵元任进入哈佛大学主修哲学并继续选修音乐。1918年，获得哈佛哲学博士学位。
1918年，赵元任在芝加哥和加州大学研究学习。
1919年，赵元任回到康乃尔大学物理系任教一年。
1920年，赵元任回清华任教，最初清华请他讲授数学，到校后又加开一门英语课程，后教务长让他改教中国史和哲学，最后决定教授心理学和物理。这年冬，英国著名哲学家罗素（B. Russell）来华，他担任罗素讲学的翻译。
1921年，赵元任携妻子杨步伟到哈佛大学任哲学和中文讲师，并致力于语言学研究。
1925年，赵元任再次回清华大学任教，教授数学、物理学、中国音韵学、普通语言学、中国现代方言、中国乐谱乐调和西洋音乐欣赏等课程。
1928年，赵元任作为中央研究院语言研究所研究员，进行了大量的语言田野调查和民间音乐采风工作。
1938至1939年，赵元任又到美国，任教于夏威夷大学，开设中国音乐等课程。
1938至1941年，赵元任任教于耶鲁大学。
之后五年，赵元任再次到哈佛任教，并参加哈佛、燕京字典的编辑工作。
从1947年到1962年退休为止，赵元任一直在伯克莱加州大学教授中国语文和语言学课程，退休后仍担任加州大学离职教授。
1945年，赵元任当选为美国语言学学会主席，1952年荣任阿加细（Aggasiz）基金会东方语和语文学教授，1960年被选为美国东方学会主席。
1973年，中美关系正常化不久，阔别大陆三十年的赵元任夫妇回国探亲，受到周恩来总理的亲切接见，周总理和赵元任谈到文字改革和赵元任致力研究的《通字方案》。1981年，丧妻不久的赵元任再次应中国社会科学院语言研究所之邀，偕长女赵如兰、女婿卞学磺、四女赵小中再次回国探亲，受到全国政协主席邓小平的热情接见，并接受了北京大学授予的名誉教授称号。
1982年2月24日，赵元任逝世于美国马萨诸塞州坎布里奇。赵元任去世后，加州大学为他设立了赵元任基金会，同年4月4日，该校举行了隆重的赵元任逝世纪念会。