赵元任会说33种汉语方言，到全国大部分地方，都可以用当地方言和当地人交流。他精通英、德、法、日、俄、希腊、拉丁等多门外语，甚至精通这些语言的方言。赵元任因此得了个“赵八哥”的绰号。
赵元任的听觉特别灵敏，他能在很短的时间内就学会一种方言，此后终生不忘。他儿时就展示了非凡的语言天赋，他每到一个地方居住，就能迅速学会当地的方言。清末，他的祖父在北方做官，年幼的赵元任随其家人在北京、保定等地居住期间，从保姆那里学会了北京话和保定话。5岁时，赵回到家乡常州，家里为他请了一位当地的家庭老师，他又学会了用常州方言背诵四书五经。后来，赵元任又从他的大姨娘那儿学会了常熟话，从伯母那儿学会了福州话。
赵元任15岁时考入南京江南高等学堂学习。当时全校270名学生中，只有3名是地道的南京人，他向这三位南京同学学会了地道的南京话。一次在某宴席中，赵元任居然能用8种方言与来自四面八方的同桌客人交谈。
刘半农曾想编一本“骂人专辑”，他在《北京晨报》上刊登了一则“粗话启事”，公开征集全国各地骂人的话。赵元任看到启事后，来到刘半农的宿舍，用湘、川、皖等地的方言大骂刘半农。随后，周作人也来了，用绍兴土话又将刘半农大骂了一顿。当刘半农去上课时，竟又被广东、广西、湖南、湖北等地的学生用方言骂了半天。后来，刘去拜访章太炎，被章用古语中的粗话大骂一通。
1920年，美国教育家杜威和英国哲学家罗素来中国讲学，蒋百里、蔡元培、丁文江、陶履恭、秦景阳等人共同推荐赵元任，担任罗素的翻译，其时赵元任已接受清华的聘书，人却还没有回到国内。通过蔡元培、丁文江等人的努力，清华大学最后终于答应赵元任担任罗素翻译一事。赵元任回国后，随罗素在全国巡回讲学一年。由于赵元任口齿清晰，知识渊博，每到一地能用方言翻译，因而使当时罗素的讲学比杜威获得更好的效果。从此，赵元任的语言天才得到了公认，他自己也决定将语言学作为终身的主要研究方向。
罗素到中国，还携带其女友勃拉克。因此，每次应酬，赵元任不仅要为罗素和勃拉克进行翻译，还要翻译中国主人的发言，但他应付裕如。有人说，只有赵元任才能把罗素演讲的内容完完整整地翻出来，就连罗素说的笑话也能译的不走样儿。
罗素的演讲涉及心理学、生理学、伦理学、数学、逻辑、物理、教育学、社会学等多个领域，赵元任应付自如，他觉得，生活中的一般客套话十分难翻译，而翻译学术讲演反倒容易一些。一次担任学术讲演翻译后，他在当天的在日记中写道：“我按己意大加引申说明……以译员的身份讲，比主讲人更有乐趣，因为译员讲完后才引起听众反应。”
赵元任为罗素当翻译，每到一个地方，他都用当地的方言来翻译。罗素在杭州演讲时，赵元任便以杭州方言来翻译；他在去长沙的途中向湖南人学会了长沙话，等到了长沙，已经能用当地话翻译了。讲演结束后，一个学生跑上来问他：“赵先生贵处是湖南哪一县？”
在清华任教时，赵元任曾表演过口技“全国旅行”：从北京沿京汉路南下，经河北到山西、陕西，出潼关，由河南入两湖、四川、云贵，再从两广绕到江西、福建，进入江苏、浙江、安徽，由山东过渤海湾入东三省，最后入山海关返京。这趟“旅行”，他一口气说了近一个小时，“走”遍大半个中国，每“到”一地，便用当地方言土话，介绍名胜古迹和土货特产。
在外国语方面，据赵元任自己说：“在应用文方面，英文、德文、法文没有问题。至于一般用法，则日本、古希腊、拉丁、俄罗斯等文字都不成问题。”
有一次，赵元任在法国索邦（sorbonne）讲演，他用的是纯粹标准国定的法国语音。演讲完毕后，听众对他说：“你法国话说得真好，你的法国话比法国人说得都好。”他常在关于语言学的讲学或著作中，使用一些由他自己创作的妙趣横生的故事来加深人们的印象。
有一次，赵元任讲语言与事物本身的约定俗成关系（即非必然联系）时说：“从前有个老太婆，初次跟外国人有点接触，她就稀奇得简直不相信。她说，他们说话真怪，明明是五个，法国人偏偏要说是三个（cinq）；明明是十，日本人偏偏要说是九；明明是水，英国人偏偏要说是窝头（water）。”
赵元任的妻子杨步伟也会几种方言。赵元任和杨步伟结婚后，他们订了一个日程表，今天说国语，明天说湖南话，后天说上海话。
赵元任曾编了一个极“好玩儿”的单音故事，以说明语音和文字的相对独立性。故事名为《施氏食狮史》，通篇只有“shi”一个音：“石室诗士施氏，嗜狮，誓食十狮。氏时时适市视狮。十时，适十狮适市。是时，适施氏适市。氏视是十狮，恃矢势，使是十狮逝世。氏拾是十狮尸，适石室。石室湿，氏使侍拭石室。石室拭，氏始试食十狮尸。食时，始识十狮尸，实十石狮尸。试释是事。”此文被收入《大不列颠百科全书》。
赵元任晚年曾作《嵇熙戏犀》：“西溪犀，喜嬉戏。嵇熙夕夕携犀徙，嵇熙细细习洗犀。犀吸溪，戏袭熙。嵇熙嘻嘻希戏。惜犀嘶嘶喜袭熙。”他注明：“嵇，檄倪切，音兮，齐韵。一姓氏，二山名。”他以此文说明中国文字只有形、音、义同时出现，才可表达文章意思。
还有一首《唧唧鸡》也为赵元任所作：唧唧鸡，鸡唧唧，几鸡挤挤集机脊。机极疾，鸡饥极，鸡冀己技击及鲫。机既济蓟畿，鸡计疾机激几鲫。机疾极，鲫极悸，急急挤集矶级际。继即鲫迹极寂寂，继即几鸡既饥即唧唧。
赵元任告诉女儿赵新那，自己研究语言学是为了“好玩儿”。赵元任的三女儿叫赵莱痕思媚，据赵新那说，就是“好玩儿”的结果。经常有人问起赵元任为什么给女儿起这么长的名字。原来，赵的三女儿小时候叫“LenSei”，是赵根据拼音拼出来的两个音节，但并没有相对应的汉字，上学后按谐音写成“莱痕思媚”。
上世纪20年代，赵元任为商务印书馆灌制留声片，以推广“国语”。1925年，赵元任夫妇由法国马赛回国，途经香港，看见一家鞋店的白皮鞋很好，于是赵元任用国语对店员说要买两双鞋。因为赵元任有一个习惯，遇到合意的鞋总是买两双。当时，香港通用的语言是英语与广东话，通晓国语者不多。这位店员的国语很差，无论赵元任怎么说他都不明白。于是，赵元任伸出两个手指，然后指指白皮鞋，意思是要两双。店员看了便生气地说：“一双鞋不就是两只吗？还要说什么？”最后赵元任只好买一双皮鞋。他们买完东西出门时，店员用浓重的广东话说：“我建议先生买一套国语录音磁带听听，你的国语太差劲了。”赵元任问道：“谁的国语录音带最好？”店员说：“自然是赵元任的最好了。”这时杨步伟在旁边说：“他就是赵元任啊！”店员忿忿地说：“别开玩笑了，他的国语讲得这么差，怎么能跟赵元任比？”
语言学家陈原在回忆文章中写道：“赵元任，赵元任，在我青少年时代，到处都是赵元任的影子。”少年时，陈就着迷于赵元任翻译的《阿丽思漫游奇境记》。长大了，想学“国语”，就通过赵元任的《国语留声片课本》进行学习，后来迷上了音乐，便迷上了赵元任的朋友萧友梅介绍的贝多芬《欢乐颂》，也迷上了赵元任谱曲并亲自演唱的《教我如何不想她》。
《爱丽丝漫游奇境》的第一个中文译本是由赵元任翻译的，1922年由商务印书馆出版。当时赵元任特别强调，这本书“又是一本哲学的和伦理学的参考书”。
1928年，在赵元任、钱玄同等人的努力下，南京政府大学院正式公布了《国语罗马字拼音法式》作为国音字母第二式，赵元任高兴地在这天的日记中写下：“G.R.yinyiijeouyueh 26ry hgongbunle．Hooray！”（国语罗马字已于6月26日公布了，好哇！）
赵元任写信给林语堂时，写的是汉字的英文，例如：“狄儿外剃，豪害夫油鬓？”（亲爱的语堂，你近来忙些什么？）林语堂看了非常喜欢。
赵元任每到一个地方都喜欢研究语言，总结该地语言的特点。有一次他在瑞典一个火车站卖票到Malm*，就用平常英德等无声调语言的语调用半降调说那个地名。赵元任说了半天，那个卖票的人才恍然大悟。赵元任发现卖票的人读Malm*仿佛像过国语的去声加阳平，于是，他发现瑞典语有声调。
赵元任曾和家人一起开车环游欧洲。他总结沿途的国家跟外国人说话的惯例。一路上法国人和比利时人跟他们说法语；荷兰人因为知道很少有人会说荷兰语，所以跟外国人多半说英文；到了德国说德语；在丹麦人和瑞典人则尽量跟外国人说英文。他说：我们开车从法、荷、比、德近海一带听他们说话所得的印象，并不是过一国换一种语言，我们的感觉非常像坐着长江轮船从上海到四川一路的口音渐渐地变，而不是一国一国地变。
有一次，赵元任在瑞士的德语区，因为他第二天要开车到Matterhorn高山上去，所以准备将车送到车行进行一下保养，上上润滑油、检查一下机器。这天晚上他拿了一本词典查了这些机件的德文名称。第二天到了车行，车行的人看赵元任是外国人，反而说起法语了。赵元任说，那不成，我昨天晚上用的是德文的功，今儿非得用德文才会讲汽车的事情呐。
赵元任到了世界任何地方，当地人都认他做“老乡”。二战结束后，他到法国参加会议。在巴黎车站，他对行李员说巴黎土语，行李员以为他是土生土长的巴黎人，于是感叹道：“你回来了啊，现在可不如从前了，巴黎穷了。”后来，他来到德国柏林，用带柏林口音的德语和当地人聊天。邻居一位老人对他说：“上帝保佑，你躲过了这场灾难，平平安安地回来了。”
赵元任的听力很好，辨音能力强。他能够把一个字的发音分几部分分析开，从后面的部分念起，将一个字由后向前倒着念。有时他用录音机录下一段这种古怪的发音，然后用能够倒着放的录音机放，听起来就和按正常发音顺序念一段文章差不多。他高兴时喜欢给朋友们表演这种技艺。
1949年以后，胡适仍很关心大陆的文化动静。毛泽东的诗词他也认真读，见答李淑一的韵跑得没了边，他便去问赵元任，是不是湖南方言可以这样押，赵答否。
梁漱溟在晚年口述《这个世界会好吗》中，曾谈到对赵元任的评价：
梁：当时他是清华国学院的四个导师之一，他的知识很丰富，听说他有这样一个本事，就是他一般跟我们一样讲普通的北京话，但是他如果到一个新地方，比如到了福建，到了广东，他住这么一天，两天，他就能讲那个地方的话。
艾：是这样，我也听说了。
梁：因为他懂得那个地方人讲话，从音韵上，从利用口齿上，他住上一、两天就晓得怎么样，就讲当地的话，人家告诉我是这样。
艾：是。当时在伯克莱的时候也请教过，研究这本书的时候，是关于罗素，因为他是陪着罗素做翻译的。
梁：有一段，本来翻译是另外一人，后来不行，后来罗素讲的东西那个人翻译不了，还是请赵先生去翻译。
艾：是啊，我也听说别的关于他的本事的故事，就是他可以把一个什么话倒讲，后面的几个音先讲，一大段话就是这个样子，录好以后就把录音带倒放，还是正常的话，他正是有语言的天才。
20世纪20年代初，白话文运动已成气候，赵元任开始进行汉字拼音化推广。他编辑灌制了《国语留声机片课本》，胡适为该书作序，称以留声机片教国语没有第二人比元任更适宜，该书最大长处在辨音的正确，如辨声调辨方言等，且书中用语活泼诙谐，可以破除教科书历来的沉闷。
1927年，赵元任到江苏一带进行了为期三个月的吴语调查，他不辞劳苦，辗转镇江、丹阳、无锡、宜兴、溧阳等地，记录了大量的当地方言。回到北京后，他将搜集来的材料写成一本《现代吴语研究》。此书出版时，语音符号准备采用国际音标，但当时印刷厂没有字模，他和助手就自己用手写、画，每天工作10小时以上。这本书成为研究吴语和方言的珍贵文献资料，赵元任也成为我国方言调查的鼻祖。
赵元任根据发音系统和主要现代方言，从《康熙字典》的两万多字中挑选出两千字，作为“通字”，他认为日常的行文用这两千字就够了。他的这本《通字方案》一直不肯轻易脱稿，反复斟酌，考虑再三，一次一次地修改，还征求国内语言学家的意见。1979年赵新那到美国探望父母，年近88岁高龄的赵元任，每天坐在书桌前研究《通字方案》。
赵元任早年曾和语言专家黎锦熙先生致力于推广普遍话。1981年，回到北京的赵元任曾感慨道：“现在教育水平高了，人们的说话受广播、报刊、电视等媒体的影响，出口书面语多，不大爱讲白话了。如现在北京人爱说‘开始’，不说‘起头儿’；把长外衣不叫‘大氅’，而叫‘大衣’。连小孩说话也是文绉绉的，人们的日常生活语言显得缺少生活气息。”
1981年5月21日，赵元任应中国社会科学院语言研究所之邀，回国录制国际音标。录制时，他发了四百多种元音、辅音和声调，连非常细微的差别都十分确切，发音辨音能力与他在30年代时一样。在座者无不惊讶，非常钦佩。