陈寅恪长期致力于史学研究工作，研究范围甚广，他对魏晋南北朝史、隋唐史、宗教史（特别是佛教史）、西域各民族史、蒙古史、古代语言学、敦煌学、中国古典文学以及史学方法等方面都作出了重要的贡献。陈寅恪治学主旨“在史中求识”。继承了清代乾嘉学者治史中重证据、重事实的科学精神，又吸取西方的“历史演进法”，即从事物的演化和联系考察历史，探究史料，运用这种中西结合的考证比较方法，对一些资料穷本溯源，核订确切。并在这个基础上，注意对史实的综合分析，从许多事物的联系中考证出关键所在，用以解决一系列问题，求得历史面目的真相。他这种精密考证方法，其成就超过乾隆、嘉庆时期的学者，发展了中国的历史考据学。
魏晋南北朝
陈寅恪以研究中古史的著述影响最大。他分析了东汉以后，中国社会上儒家大族与非儒家寒族在政治上形成两个不同的集团，其势力的升降为当时政治演变的基础。陈寅恪是魏晋南北朝史研究的开拓者，涉及的领域相当广泛，提出许多精辟见解。在对魏晋南北朝史研究的成果，不仅在许多方面都有开拓创建，而且有许多方法、结论至今仍发人深思，给人启迪。他从等级性，宗法性、民族性、宗教性四大突出特点进行分析，使政治史和文化史的研究推向了深入。 其中，最值得关注的是关于民族与文化的历史考察。在《隋唐制度渊源略论稿》《唐代政治史述论稿》中，他反复强调种族与文化问题是研究中古史最重要的关键。在民族融合与文化整合关系上，他提出“北朝胡汉之分，在文化而不在种族”的论点。这对研究中华民族融合史有着极其重要的意义。 陈寅恪对魏晋南北朝史研究最精湛的部分，也是他超越前人的方面在于：一是史料的扩充，如诗文与史实的互证、考古与音韵资料的应用、域外记载的采撷；二是分析方法的改进，即史法的进步。该书虽非陈寅恪的原著，但仍较为真实地体现了陈寅恪在魏晋南北朝史方面的研究成果。
隋唐
隋唐两朝***有三百多年的历史，是我国中世纪的极盛时代，居当时世界各国的前列。但是史家对这一时期历史的许多重要问题研究得非常不够，特别是对其文物制度渊源流变的研究，缺少符合历史事实的论著。陈寅恪有鉴于此，于二十世纪四十年代初写出了《隋唐制度渊源略论稿》，应用大量资料，系统地论述了从汉魏到隋唐文物制度的渊源和演变，对海内外学术界有重大影响。
另一方面，陈寅恪从“古文运动”，“新乐府”、“行卷”三方面人手研究唐代文学。他把“古文运动”与民族意识，文化交互关系结合起来研究，提出了研究唐代文学新见解。在《论韩愈》一文中，指出古文运动的中心是恢复古代儒家思想的地位，韩愈等是走在古文运动中最前的人。他认为“新乐府”是我国文学逐步趋向下层的一个重要标志，其价值与影响比陈子昂李白更为高远，这种见解超越了前人。他是第一个对“行卷”进行全面研究的人，重要成就是发掘了“行卷”思潮。
在《唐代政治史述论稿》中用宇文泰的“关中本位政策”所鸠合的集团兴衰和分化，解释唐代近三百年间统治阶级的升降，论证充分，后来学者多所称道。此外，他在书中，精细入微地考察了隋唐时期的主要制度，如礼仪、职官、刑律、音乐、兵制、财政诸制，发其源而究其变，提出关于“关陇集团”的概念，为后学提示了一个宏观地把握西魏、北周、隋代至初唐历史发展基本线索的关键，具有重要的学术意义。
明清
陈寅恪所著80余万言的《柳如是别传》为明清文学研究提供了许多价值的成果。他详细考证了柳如是，精辟地拴释了钱、柳诗文。他颂扬柳如是，赞同钱廉益的观点，使人耳日一新。他为钱、柳诗文进行笺证，反映明清之际的政治、社会状况，是以诗文论证一代史事的典范。 该书不仅是陈寅恪检验自己毕生学术水平的一次综合实践，同时也是陈寅恪一生治史思想的结晶。
陈寅恪的著作，多属考证性文字，但他的考据方法，已有别于传统意义上的考据。他以考据为手段，在考证历史事实的基础上，还注意探求历史发展的规律。陈寅恪在继承乾嘉学者实事求是、精密严谨的考据之学时，也吸收了宋代学者追求义理的作风，注重探求历史的规律。在西方历史语言考证学派的影响下，他十分重视对语言工具的学习，并掌握了十几门外语。他利用自己所掌握的语言工具，对中外文资料进行比较研究：在西方文化史学的影响下，他在历史研究中引入文化史学观点，从民族与文化两个角度来进行研究，拓展了史学研究的范围。在继承传统的前提下，陈寅恪对考据方法加以创新，形成了他独具特色的新考据方法。其考据方法的特点即“诗史互证”与比较的方法。
“诗史互证”是陈寅恪在研究中用得最多，最具特色的一种考据方法。虽然首先提出这种方法的并不是陈寅恪，但他把这种方法大量付诸实践并取得了丰硕成果。他首先注意到唐诗的史料价值。因唐诗的作者来自社会各阶层，唐诗中许多作品直接反映了现实生活，可以补正正史之不足及讹误。除唐诗外，小说也可以用于证史。他还提出了利用小说证史应注意的一些原则。《柳如是别传》是陈寅恪“诗史互证”的力作，此书通过笺释钱谦益、柳如是的诗文，系统论述了明末清初的一系列重大历史事件。陈寅恪“诗史互证”方法的运用，既是对史料范围的扩展，也是对考据方法的创新。
比较的方法体现在他利用自己掌握的语言工具，进行中外文资料的比较研究，发现了许多前人未发现的问题，并阐明了自己的看法。他利用这种方法在蒙古史研究中获得了许多成果；他还利用对音方法考证出史书中的一些地名，以及书籍在辗转翻译过程中出现的一些错误。与王国维一样，陈寅恪也注重地上实物与地下实物的比较研究，特别是利用敦煌出土资料释证文献记载，并有许多发现。
陈寅恪的新考据学方法，丰富和发展了中国传统文献研究方法，在弘扬中国传统文化方面具有重大意义，但他有些考据过于繁复冗长，这又是他的不足。 陈寅恪与王国维、陈垣等形成了中国史学史上具有代表意义的“新考据学派”。研究的范围，涉及中古史、宗教史、蒙古史、敦煌学等，并取得了不少开创性的成果。 蒙史
《蒙古源流》是明朝万历年间内蒙古萨囊彻辰所著，其中夹杂不少神话传说，与元代蒙汉文史书多有不同，往往让人们困惑不解。二十世纪三十年代初，陈寅恪发表了4篇论文，探明了《蒙古源流》一书的本来面貌，使人们对原来困惑不解的难题，得以了解通释，对后来的蒙史研究产生重大影响。 他在《蒙古源流》一书中首先运用了西方汉学家的对音勘同的译名还原法，突破了这一领域中传统的证补和重修正史的老路，使中国蒙古史的研究从二十世纪三十年代开始进入一个新阶段。
敦煌学
陈寅恪的学术研究，虽然没有倾力于敦煌学，但是却在敦煌学资料的抢救、整理、敦煌学的确立及发展等各方面都作出了突出的贡献，使敦煌学终于成为二十一世纪的“显学”。陈寅格从事敦煌文献研究并把它纳入到世界学术领域中，得到各国学术界的认可。
1930年，陈寅恪在其所撰《陈垣敦煌劫余录序》中最早提出“敦煌学”的概念，指出“敦煌学者，今日世界学术之新潮流也”。在该序中，就北京图书馆所藏八千余卷敦煌写本提出九个方面的研究价值，即摩尼教经、唐代史事、佛教文义、小说文学史、佛教故事、唐代诗歌之佚文、古语言文字、佛经旧译别本、学术之考证，为敦煌学研究指明了方向。撰有《大乘稻芊经随听疏跋》《忏海火罪金光明经冥报传跋》《有相大人生天因缘曲跋》《须达起精舍因缘曲跋》《韦庄秦妇吟校笺》《西游记玄奘弟子故事之演变》《莲花色尼出家因缘跋》等多篇论文；还在《敦煌石室写经题记汇编序》《元白诗签证稿》等论著中，利用敦煌资料补史、证史、大多数敦煌学论文收入《金明馆丛稿初编》《金明馆丛稿二编》《隋唐制度渊源略论稿》《唐代政治史述论稿》及《元白诗笺证稿》三书也使用一些敦煌资料。 著文为从事敦煌文献研究者开阔了视野，为中国敦煌学研究的全面开展，奠定了基础，开创了先河。
藏学
陈寅恪对藏学、突劂学研究，他从不轻下断语，总以严谨的科学态度进行判别，不违驳事实，是一位史识与史德统一的典范。他严谨处理“赞美”与“求真”的关系，实事求是地评价历史，至今仍然具有深远的教育意义·
陈寅恪积极促进当时国内对于藏文书籍文献的保护和收藏，中央研究院历史语言研究所曾存有陈寅恪整理的《西藏文籍目录》，除此之外，还曾在流亡云南蒙自时期撰写《蒙古源流注》，该书稿系依据其蒙、满文诸本，并参稽其所出之西藏原书、《四库提要》所谓“咖喇卜经”等者，考订其得失，与沈乙庵书大异。另又花费了大量心血比勘佛经的梵、藏、汉译本之异同得失而撰写《校记》。可惜资料及文稿均毁佚于战火。
陈寅恪的朋友中，研究藏学者有多人，如李方桂于解放前赴美，一直从事这方面的研究，发表有《马重英考》等多篇论文。而受陈寅恪的影响，一些有志之士，如于道泉、张熙、王森等人以及一些学生，如吴其昌、姚薇元、刘盼遂、刘铭恕兄弟、林亮等人进行了程度不一的藏学研究。
突厥学
在突厥学方面，陈寅恪摒弃了把突厥史作为隋唐史附属品的陈旧观念，肯定了“突厥在当时实为东亚之霸主”的地位。他以“外族盛衰之连环性”解释唐与突厥间力量的迅速消长变化以及霸权地位的急剧转化，表现出卓越的史识。
陈寅恪对佛经翻译、校勘、解释，以及对音韵学、蒙古源流、李唐氏族渊源、府兵制源流、中印文化交流等课题的研究，均有重要发现。
宗教学
陈寅恪对宗教学的研究，是他学术生涯的重要组成部分。他早年因受到系统的方法论训练，又有深厚的驾驭语言文字的功底，使他能够在宗教学研究里游刃自如。他的学术研究在国际学界也为专家学者仰止。陈门家学有浓厚的佛学气氛，陈寅恪之父陈三立曾就学于佛学大师杨仁山的祗洹精舍，潜心修佛。长兄陈衡恪自幼经受佛学薰习，且擅佛画。蒋天枢先生在《陈寅恪先生编年事辑》中记叙：陈寅恪少时曾泛览祖父所藏“浩如烟海”的古籍佛典。佛学研究是他的宗教学研究中最重要的内容。他利用丰富的语言学知识，开辟了南北两传比较研究的领域，注意研究中国佛教的源与流的关系，梳理佛教名相的产生和演变，指出了以往中国佛教翻译的“误译”或“误解”的问题。
佛教传入中国后，往往因语文能力限制，不能与原本或其语言译本对勘，陈寅恪最重外语研习。他研究佛教，能着重考证，并在考证中探讨问题。二十世纪三四十年代，是世界佛学界对早期禅宗研究的高潮，他先后对《大乘起信论》和《六祖坛经》的“传法偈”的问题发表了自己的看法。这些看法与当时国内一些著名学者并不一样，自成一家之言。他还对当时国内佛学界和中国哲学界发起的魏晋玄学的讨论，提出了自己的意见，他所作的有关支愍度的“心无义”学说的考证，至今也是最详尽的一篇，可与汤用彤的《两汉魏晋南北朝佛教史》的有关章节相互印证。他对武则天与佛教的关系的研究，也受到了中外学者的注意。此外，他对佛经翻译和佛教文学也多有发微。
语言学
陈寅恪精通梵文和多种西域古代语言。更有盛传其通晓包括英、法、德、俄、西班牙、日、蒙、阿拉伯、梵、巴利、突厥、波斯、匈牙利、满、藏、希伯来、拉丁、希腊、回鹘、吐火罗、西夏、朝鲜、印地、暹罗等20余种语言。考察其游学经历，陈寅恪应当掌握日语、德语、英语。参考陈封怀回忆，陈寅恪应当掌握包括英语、德语、法语。考察其游学所学课程，陈寅恪应当涉猎梵语，希腊语，巴利语。考察其所记录笔记，陈寅恪应当涉猎藏文、蒙文、突厥回鹘文、吐货罗文（土火罗文）、西夏文、满文、朝鲜文、佉卢文、梵文、巴利文、印地文、俄文、伊朗文（应当是古波斯文）、希伯来文。
众所周知，学习一门语言，有听说读写不同方面，而陈寅恪运用在学术研究中的，多聚焦于“读”这一个层面，通过阅读各种文字的文献来立论举证，而于其余的听、说、写方面，则没有明确证据。虽然陈寅恪所学习过的许多文字都是不必学会听、说、写的“死语言”，但就传说中的英、法、日、德、俄、古希腊语和拉丁语而言，除了英语、德语和日语外，对别的语言能否做到“精通”，也缺乏明证。而陈寅恪对历史语言学和“死文字”的运用，并非专注于通晓语言本身，更非是将学习外族文字作为奇巧淫技式的学问展示，他更多的还是借用语言为辅助工具，其学问的核心关照，还是海内文明、中土史地。 陈寅恪自1926年留学回国后，就任清华大学研究院教授，是当时清华“四大导师”之一。之后，成为清华大学唯一的中文系“合聘教授”，在师生中享有“盖世奇才”、“教授的教授”、“太老师”等称誉。在清华校园里，不论是学生还是教授，凡是文史方面有疑难问题，都向他请教，而且能一定得到他满意的答复。大家称他为“活字典”、“活辞书”。他讲课时，研究院主任吴宓教授是风雨无阻，堂堂必到的听课者；其他如朱自清等水准很高的教授，也常到教室听他讲学。哲学专家冯友兰，当时任清华大学秘书长、文学院长，可每当陈寅恪上《中国哲学史》课时，冯先生总是恭敬地陪着陈寅恪从教员休息室走出来，静静地坐在教室里听他讲课。他讲授的课程主要有《佛经翻译文学》《梵文文法》《两晋南北朝史》《唐史》《唐代乐府》《唐诗证史》等。
陈寅恪对学生的爱护无微不至，对学生生活乃到毕业后就业问题，也非常关心。他认为问答式的笔试，不是观察学问的最好方法。做论文，要求新资料、新见解。他从不要求学生用死记方法，而是鼓励思考，他更反对“填鸭式”的教育方式。“桃李满天下”，对陈寅恪来说，当之无愧。他为国家培养了许许多多的优秀人才，其中不乏如季羡林、蒋天枢等大师。