1892年11月3日，赵元任生于天津。父亲衡年中过举人，善吹笛。母亲冯莱荪善诗词及昆曲。
1900年，赵元任回到老家常州青果巷，在家塾二中读书。
1906年（十四岁），进常州溪山小学。
1907年，赵元任入南京江南高等学堂预科，成绩优异。
1910年7月，清廷游美学务处在北京招考第二名被录取（这次招考共取正榜70名）。同年8月赴美，入康奈尔大学学习数学。选修物理、音乐。
1914年，赵元任获理学士学位。
1915年，赵元任入哈佛大学主修哲学并继续选修音乐。
1918年，获哈佛大学哲学博士学位。
1919年，赵元任在康乃尔大学物理系任教。
1920年，赵元任在清华大学教授物理、数学和心理学课程。
1920年冬天，英国著名哲学家罗素来华讲学，赵元任为其担任翻译。 
1921年6月1日，与杨步伟结婚。 
1921年，赵元任夫妇到了美国，赵元任在哈佛大学任哲学和中文讲师并研究语言学。
1925年，赵元任回清华大学教授数学、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。他与梁启超、王国维、陈寅恪一起被称为清华“四大导师”。
1928年，赵元任作为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年~1939年，赵元任教学于夏威夷大学，在那里开设过中国音乐课程。
1938年至1941年，教学于耶鲁大学。之后五年，又回哈佛任教并参加哈佛、燕京字典的编辑工作。 
1945年，赵元任当选为美国语言学学会主席。
1945年，赵元任被选为美国语言学会（LSA）会长。 
1946年6月至7月，赵元任参加联合国教科文组织预备会议；7月，与周培源、吴大猷一起参加纪念牛顿诞辰300周年纪念活动，其间，赵元任加入美国国籍。11月在巴黎出席联合国教科文组织成立大会，并选为该会议副主席。
1947年，国民党政府教育部长朱家骅拍电报请赵元任出任南京中央大学校长。赵元任回电：“干不了。谢谢！” 同年，赵元任在加州大学伯克利分校（UC Berkeley）教授中国语文和语言学。 
1948年，赵元任当选为中国中央研究院第一届院士、美国艺术与科学院（AAAS）院士。 
1952年，荣任阿加细（Aggasiz）基金会东方语和语文学教授。
1959年，赵元任曾到台湾大学讲学。
1960年，当选为美国东方学会（AOS）会长。
1962年，从加州大学伯克利分校退休，仍担任加州大学离职教授。
1973年，中美关系正常化刚起步，赵元任夫妇就偕外孙女昭波和女婿迈克回国探亲。5月13日晚至14日凌晨，受到周恩来总理的亲切接见，周总理还跟赵元任谈到文字改革和赵元任致力研究的《通字方案》。在座的还有郭沫若、刘西尧、吴有训、竺可桢、黎锦熙等诸友。 
1981年，丧妻不久的赵元任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，享年90岁。

人才培养
赵元任博学多才，既是数学家，又是物理学家，对哲学也有一定造诣。然而他主要以著名的语言学家蜚声于世。他从1920年执教清华至1972年在美国加州大学退休，前后从事教育事业52年。中国著名语言学家王力、朱德熙、吕叔湘等都是他的学生，“给中国语言学的研究事业培养了一支庞大的队伍” ，可谓桃李满天下。
汉语研究
区分字调语调
“字调” 这个名称是赵元任初创的，其所指与汉语语言学和语言教学中所说的“ 声调 ” 基本相同。赵元任清楚地认识到字调、连读变调、句调不是一回事，随着研究的深入，他对字调、 语调的关系逐渐有了明确的阐述，提出了三个著名的比喻——“ 橡皮带 ”、 “ 代数和 ” 、“ 大波浪与小波浪 ” 。这些比喻给汉语语调研究指出了一条捷径。
重视对汉语连读变调与轻重音的研究
赵元任对现代汉语轻重音的研究是开创性的 。他提出汉语口语不是读书腔，也有重与轻，而且轻重音在汉语的语调中非常重要。赵元任在研究中几乎提到了汉语里的各类轻音，并有所区分，基本涵盖了我们常说的词重音、句重音、轻声、可轻声、语调轻音、结构轻音等现象。赵元任还注意到了汉语轻重音不同于西方语言的地方，并看到了重音的相对性。 
提出汉语语调构造雏形
赵元任出了自己新的三分式结构：调冠—调头—调身，其中调身包含了调核和调尾两部分。赵元任指出汉语语调可以分段来处理，除引入语调构造观以外，赵先生还为汉语语调引入和新创了实用的标调符号 ，这些符号是赵元任考虑到汉语的特点及语调的普遍性而创制的。 
对汉语语调进行形式——功能的划分
赵元任首先将语调分为“中性语调 ” 和“ 口气语调 ”，他还按照“ 体式 ” 把口气语调分成40种，每一种体式对应着一种或几种“ 功用 ” 。前27种“ 以音高跟时间的变化为主要的成素 ” ，后13种“以强度跟嗓子的性质为主要的成素 ” 。另外，赵元任还将语速的快慢作为语调的一个构成要素（属于时间范畴）。 
指出“ 未来 ” 语调研究的方向方法
在汉语语调研究方面 ，赵元任指出语助词还应当系统研究，语调研究的语料来源和分析依然存在问题，标调的符号有待改善，语调分类或可再细，应该加强语调共性研究。这些方面，基本上仍然是语调研究中没有解决、 亟待解决的问题。尤值一提的是，赵元任非常重视语助词在语调中的作用。 
音乐创作
赵元任的音乐创作，突破了“学堂乐歌”借用外国乐谱填词的模式，开始完全由中国人独立作曲作词，使中国近现代音乐进入了新的发展阶段。因此，他是中国近现代音乐史上当之无愧的先驱者之一，是我国20世纪20年代优秀的作曲家。 
赵元任的音乐创作活动虽然始于五四运动以前，但主要集中在上世纪二三十年代。他的音乐创作主要分两个时期。第一个时期是“五四”运动以后的20世纪20年代，代表作有歌曲《劳动歌》、《卖布谣》、《教我如何不想他》、《上山》、《听雨》、《也是微云》和合唱曲《海韵》等。这些歌曲和他此前创作的部分作品，共14首歌曲，收集在由商务印书馆于1928年出版的《新诗歌集》中。20世纪30年代是赵元任的第二个创作时期，代表作有《江上撑船歌》、《西洋镜歌》等。他还为陶行知等人的许多儿童诗谱写了歌曲，如《手脑相长歌》、《儿童工歌》等，收集在《儿童节歌曲集》（1934）和《晓庄歌曲集》（1936）等作品集中。
赵元任在艺术上勇于创新。他创作的歌曲，音乐形象鲜明、风格新颖、旋律优美流畅，富于抒情性。从内容上看，他的作品多以“五四”以来的新诗为题材，既有时代特点，又有民族风格。从形式上看，他的作品既有效地运用了西方音乐创作技法，又创造性地吸收了我国传统音乐的宝贵经验。他的声乐作品艺术水平较高，对我国近现代音乐创作作出了重要的贡献。许多作品流传至今，成为音乐院校教学和音乐会上经常表演的曲目。
赵元任创作于1926年的《教我如何不想他》，已成为中国近现代音乐宝库中一首经典的艺术歌曲，也是专业音乐学府的优秀声乐教材。它的歌词是刘半农于1920年旅居英国时写的一首新诗——《教我如何不想她》。诗人自己说，它表达的是一个海外游子对祖国“母亲”的思念之情。可1926年赵元任为这首诗谱曲时，把诗中的“她”改成“他”，扩大了“想”的空间，更为含蓄深邃。正如后来赵元任自己所说：“歌词中的他，可以是男的他，女的她，代表一切心爱的他、她、它。”这首歌的旋律优美深情，一方面运用我国戏曲的唱腔，富有“中国的韵味”，另一方面又融进了西洋风格的曲式构思和转调等多声技法，表现了思念和向往层层交织的深挚情意。 
赵元任的另一首名作《海韵》（徐志摩词），是我国最早的一首有影响的多段联缀的合唱作品，创作于1927年。作品用合唱、领唱和钢琴的回旋变奏，生动地描绘了一位美丽勇敢、渴望自由的少女，不畏狂风巨浪的威胁，最终被汹涌的海浪吞没的悲剧故事。作品表现了“五四”时期中国青年反封建、追求个性解放的浪漫主义精神。一曲终了，使人往往依旧沉浸在强烈的共鸣和审美的遐思之中，具有较强的艺术感染力，堪称中国合唱音乐的传世之作。 
赵元任也是我国近现代音乐史上最早将中国民歌予以多声改编配置的作曲家。1935年，他为电影《都市风光》写的片头曲《西洋镜歌》，就吸取了民间说唱的音调，揭露和批判了当时都市生活的黑暗。1942年，他在美国创作的《老天爷》，歌词则采用了我国明末的民谣，并具有民间说唱叙事的风格。《老天爷》在20世纪40年代中期传至国内，在反蒋爱国学生的示威游行中唱出来，引起强烈反响。从此，这首歌曲便唱遍全国。
多年的语言研究工作，对赵元任的音乐创作具有明显的影响。他特别注意根据中国语言的声调和音韵特点来处理歌词与曲调的关系，使歌词的声韵与曲调吻合，使歌曲既富有韵味，又有口语化的倾诉感。在创作中，他还注重音乐语言的地方风格。例如，《听雨》将常州话吟诵古诗的音调加以扩展，《卖布谣》是在无锡方言音调基础上创作的，《教我如何不想他》吸收了京剧西皮过门的音调。在歌曲伴奏方面，赵元任十分重视钢琴对塑造音乐形象的作用。例如，在《也是微云》、《上山》、《海韵》等作品中，就运用丰富生动的钢琴织体音型，加强了声乐歌唱的艺术形象和感情的变化。

语言天才
清末，赵元任的祖父在北方做官。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，又从大姨妈那儿学会了常熟话，从伯母那儿学会了福州话。 
当他15岁考入南京江南高等学堂时，全校270名学生中，只有3名是地道的南京人，他又向这3位南京同学学会了地道的南京话。有一次，他同客人同桌就餐，这些客人恰好来自四面八方，赵元任居然能用8种方言与同桌人交谈。
1920年当时适逢美国教育家杜威和英国哲学家罗素来中国讲学，清华大学派他给罗素当翻译。他在陪同罗素去湖南长沙途中又学会了讲湖南话。由于他口齿清晰，知识渊博，又能用方言翻译，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职业。
被认老乡
赵元任一生中最大的快乐，是到了世界任何地方，当地人都认他做“老乡”。
二战后，他到法国参加会议。在巴黎车站，他对行李员讲巴黎土语，对方听了，以为他是土生土长的巴黎人，于是感叹：“你回来了啊，现在可不如从前了，巴黎穷了。”
后来，他到德国柏林，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。”
1920年，英国哲学家罗素来华巡回讲演，赵元任当翻译。每到一个地方，他都用当地的方言来翻译。他在途中向湖南人学长沙话，等到了长沙，已经能用当地话翻译了。讲演结束后，竟有人跑来和他攀老乡。
新式结婚
1920年9月18日晚，估计北京城门已关，赵元任不能回清华园，在亲戚家借住，并打算和舅父谈解除婚约事。在表哥家中，赵元任认识了森仁产科医院的女医生杨步伟。
赵元任和杨步伟初次见面，谈论的什么话题不清楚，但两人互有好感，这是肯定的。次日，女医生杨步伟回请赵元任的表哥，他也同时被邀请。他们一起，先到中央公园游玩，一起共进晚餐。赵在当天的日记上说："杨大夫是百分之百的开通。"杨步伟也有个家庭安排的未婚夫，那个婚约被她解除了。看得出，赵元任对杨步伟医生冲破旧礼教，解除家庭包办婚约，非常同情和赞赏。 
此后，赵元任几乎每两天去森仁医院一次。到了9月25日，他向杨步伟告别说："我恐怕太忙（他当时正在受以梁启超等名家为首的'讲学社'所邀请给来中国讲学的英国哲学家罗素当翻译），如果我不能再来，希望不要介意。"可是当晚他又去了。
这时，赵元任对杨步伟已经有爱情的感觉了。于是，加紧解除包办的婚姻，直到1921年5月下旬，女方陈家才同意解除"婚约"，但需赵元任提供陈女士"学费"2000元（比青春损失费好听）。赵元任在日记中写道："我和这个女孩订婚十多年，最后我终于得到自由。" 
1921年5月25日，赵元任和杨步伟开始结婚准备工作，草拟并印制结婚通知书；自拟并手书结婚证书，贴四毛钱印花；到中央公园自拍多张合影，挑选在格言亭一张作为结婚照；租了北京东城小雅宝胡同四十九号作为结婚用的房子，一楼一底，房间极舒适，还有屋顶花园。5月31日，赵元任和杨步伟适当布置房子后，当晚请了胡适和女医生朱徵在客厅共进晚餐。饭后拿出结婚证书请两位朋友作为结婚证人签名。为了合法化，贴了四角钱印花税。
赵元任回忆说：在我们寄给亲友的通知书上，我们说，接到这项消息的时候，我们已在1921年6月1日下午三点钟东经百二十度平均太阳标准时结了婚。除了两个例外，贺礼绝对不收，例外一是书信、诗文，或音乐曲谱等，例外二是捐给中国科学社。
第二天，北京《晨报》以特号大字标题《新人物的新式结婚》。婚后，杨步伟舍弃了自己担任的医院院长和妇科主任职务，当起了相夫教子的贤妻。二人和睦相处，一对恩爱伴侣相携走过60多年。
拒当校长
赵元任回国后，在清华大学教授多门课程。他与梁启超、王国维、陈寅恪一起被称为清华“四大导师”。然而，这样一位大师却终生在逃避“当官”。
1945年，抗战胜利，身在美国的赵元任一家，从广播中听到日本投降、二战结束的消息，欣喜若狂。他们开始做回国的准备。次年8月，赵元任二女儿新那和女婿培云启程回国。临别前，赵元任夫妇嘱咐女儿：“我们明年就回来，等我们”。
当时中央大学迁回南京，想聘请赵元任先生回国任教，赵先生马上答应了，还辞掉了哈佛的教职，但是，1946年夏，时任教育部长的朱家骅发电报催赵元任从美国回国，出任南京中央大学校长。这个请求把赵元任吓着了，赵元任回电：“干不了。谢谢！”他一再推辞无效，就不敢回国了。
后来在赵夫人的提议下，他决定再在美国呆一年，等到中央大学校长确定之后再回去。这就是前面提到的逃官事件。一时不回国，他便接受了加州大学的聘请暂时去加州。在回国途中“路过”加州，怎料到竟路过了30余年，成了他一生居住最长的地方。
口技旅行
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，再从两广绕江西、福建到江苏、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。这位被称为“中国语言学之父”的奇才，会说33种汉语方言，并精通多国语言。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。
施氏食狮史
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，写出来，人人可看懂，但如果只用口说，那就任何人也听不懂了：“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。” 
推广国语
20世纪20年代，赵元任为商务印书馆灌制留声片，以推广“国语”（即普通话）。有一则轶闻，难断真假，但颇可见赵氏当年的风光。赵元任夫妇到香港，上街购物时偏用国语。港人惯用英语和广东话，通晓国语的不多。他们碰上的一个店员，国语就很糟糕，无论赵元任怎么说他都弄不明白。赵无奈。谁知临出门，这位老兄却奉送他一句：“我建议先生买一套国语留声片听听，你的国语实在太差劲了。” 
赵元任问：“那你说，谁的国语留声片最好？”
“自然是赵元任的最好了。” 
赵夫人指着先生笑曰：“他就是赵元任。” 
店员愤愤：“别开玩笑了！他的国语讲得这么差，怎么可能是赵元任？” 
方言调查
赵元任是中国第一位用科学方法作方言和方音调查的学者。他的耳朵能辨别各种细微的语音差别。在二三十年代期间曾亲自考察和研究过吴语等近60种方言。
赵元任对方言的研究非他人所能及，他会33种方言。他的治学严谨和刻苦，令人叹为观止。
1927年春天，赵老在清华大学研究所担任指导老师时，曾到苏南、浙江专门调查吴语。经常是一天跑两、三个地方，边调查边记录，找不到旅馆就住在农民家里。一次，他和助手夜间由无锡赶火车去苏州，只买到硬板椅的四等车票。由于身体太疲乏，上车后躺在长板座上就呼呼地睡着了。等醒来时，满车漆黑，往外一看，才知道前面几节车厢已开走，把这节四等车厢甩下了。助手问他怎么办?他说：“现在反正也找不到旅馆，就在车上睡到天亮吧！”助手见他身体虚弱，劝他每天少搞点调查，他诙谐地说：“搞调查就是要辛苦些，抓紧些，否则咱们不能早点回家呀！将来不是要更费时间，也更辛苦吗?”
在那次调查吴语的行动中，他不辞劳苦，经镇江、丹阳、无锡，每站下车，再乘小火轮到宜兴、溧阳，又转回到无锡等地，冒着严寒，辗转往复，深入群众，多访广纳，记录了大量的当地方言。3个月后，回到北京，他把调查的材料写成一本《现代吴语研究》。在出版此书时，语音符号采用国际音标，印刷厂没有字模，他和助手就自己用手写，画成表格影印，每天工作在10小时以上。这本书出版后，为研究吴语和方言作出极为珍贵的贡献，赵元任也成为中国方言调查的鼻祖。
录制唱片
1936年，赵元任在“百代”公司灌录了一首《教我如何不想他》的唱片，近半个世纪以来一直脍炙人口。
1981年当他最后访问北京期间，多次被邀请唱这首歌。一次在音乐学院唱完这首歌后，人们向他提问：这是不是一首爱情歌曲?其中的“他”究竟是谁?赵老回答说：“‘他’字可以是男的，也可以是女的，也可以是指男女之外的其它事物。这个词代表一切心爱的他、她、它。”他说这首歌词是当年刘半农先生在英国伦敦写的，“蕴含着他思念祖国和怀旧之情。”
赵老当时还向大家讲了一段有关这首歌曲的趣闻。他说，当时这首歌在社会上很流行，有个年轻朋友很想一睹歌词作者的风采，问刘半农到底是个啥模样?一天刚好刘到赵家小坐喝茶，而这位青年亦在座。赵元任夫妇即向年轻人介绍说：“这位就是《教我如何不想他》的词作者。”年轻人大出意外，脱口而出说：“原来他是个老头啊！”大家大笑不止，刘半农回家后，曾写了一首打油诗：“教我如何不想他，请进门来喝杯茶，原来如此一老叟，教我如何再想他！”
赵元任从20年代到30年初所作歌曲的歌词，大部分系刘半农所作。当1933年刘半农因病逝世时，赵老曾深情地写一挽联：“十载奏双簧，无词今后难成曲；数人弱一个，教我如何不想他！”

“中国语言学之父”。 
“替我国音乐界开一个新纪元”。（萧友梅）
“他的学问的基础是数学、物理学和数理逻辑，可是他于语言学的贡献特别大。近三十年来，科学的中国语言研究可以说由他才奠定了基石，因此年轻一辈都管他叫‘中国语言学之父’（father or Chinese philology）。”（罗常培）
“赵元任可以称为中国第一代语言学家，我学语言学是跟他学的，我后来到法国去，也是受他的影响。”（王力）
“赵先生永远不会错”。（美国语言学界）
“赵元任，赵元任，在我青少年时代，到处都是赵元任的影子。”（陈原） 
一是他以现代的语言作为语言学的研究对象，给中国语言学研究开辟了一条新路；二是他给中国语言学的研究事业培养了一支庞大的队伍。（吕叔湘）
“像这样一位从事理科、文科研究博学多能的学者，对音乐来说，顶多是个业余的了，但是他的贡献却远远超过许多时尚的作曲家和理论家。他对音乐爱好虽然是业余的，但下了工夫。一切基础音乐知识都掌握了，还经常在钢琴上分析一切他能弹的古典乐派、浪漫乐派甚至近代作品。他的这些活动是研究、分析、学习，也是他的娱乐鉴赏。他的创作是兴之所至写出来的。他是语言学家，他的创作在词曲结合上有独特的见解与成就，值得后代人认真学习。”（贺绿汀）
赵元任的歌曲作品，音乐形象鲜明，风格新颖，曲调优美流畅，富于抒情性，既善于借鉴欧洲近代多声音乐创作的技法，又不断探索和保持中国传统文化和音乐的特色。他十分注意歌词声调和音韵的特点，讲究歌词字音语调与旋律音调相一致，使曲调既富于韵味，又十分口语化，具有独特的风格。此外，他在创作中还注意吸收民间音乐语言，如《听雨》是将常州地方吟诵古诗的音调加以扩展，《卖布谣》是在无锡方言音调基础上创作的以五声音阶为主的曲调；《教我如何不想他》吸收了京剧西皮原板过门的音调；《西洋镜歌》采用了民间拉洋片小调作素材；《老天爷》则具有北方民间说唱音乐的风格。他在创作中对和声的民族化，作了有益的探索和试验，常采用平行四、五度进行，大调主三和弦上附加六度音程，以及小七和弦与调式和声的手法等。他也十分注意钢琴伴奏在歌曲整体中共同塑造形象和刻画意境的作用。（人民教育出版社）
赵元任先生是中国现代学术史上的一座丰碑，他那卓尔不群的天赋或许无法模仿，但他对学术的执着与热爱，他的开阔的学术眼光和深沉的文化关怀，仍值得今天的青年学子效法与追慕。《好玩儿的大师》以最为直观的方式，为我们呈现了赵元任一生的风采，犹令人向往与感念不已。（光明日报）

基金会
为纪念赵元任，加州大学设立了赵元任基金会。
纪念会
1982年4月4日，加州大学隆重举行了赵元任逝世纪念会。
雕像
为纪念赵元任，江苏省常州工学院内建有赵元任的大型半身塑像。 
作品集
1987年在上海音乐学院院长贺绿汀提议并推动下，上海音乐出版社出版了五线谱版的《赵元任音乐作品全集》（由其长女、美国哈佛大学教授赵如兰编辑），收有歌曲八十三首、编配合唱歌曲二十四首、编配民歌十九首、器乐小品六首，总计一百三十二首作品。