又名宣重，号一致，常州人。生在天津。幼年随祖父执诒在直隶磁州、祁州、冀州任职之地生活。清光绪二十六年(1900)祖父去世，次年，全家回到常州青果巷老家居住。他每到一地，很快就学会当地的方言。光绪三十二年，入常州溪山小学读书。次年，考入南京江南高等学堂预科，喜习英语，与同寝室章元善枕边牵绳，以便相互提醒，每天早起，到操场上朗诵，练习发音。清宣统元年(1909)到北京，次年参加清华留美招生考试。在全国400余名考生中，以第二名的成绩，考入美国康乃尔大学。入学后，主修数学，副修物理并积极参加社会活动。与任鸿隽、胡适、章元善等发起成立中国科学社，创办《科学》杂志。他先后发表《永流电》、《中西星名考》等文章，在国内产生重要影响。

　　1914年，获数学学士学位，继攻哲学。次年，转入哈佛大学学习。1918年获哲学博士学位，到康乃尔大学任教，同时自修语言、音乐。

　　父母都是昆曲爱好者，他从小受到音乐的熏陶。以后在南京读书，从美籍老师那里又接触到西洋音乐，并迷上钢琴。到美国后，他越发向往西洋音乐，用奖学金分期付款买了钢琴，拜5位老师学琴、作曲及和声学。在作曲上，大胆运用中国民族曲调配置和声，谱写《老八板》、《梅花三弄》、《湘江浪》等乐曲。其中刊载于1915年1月《科学》杂志上的《和平进行曲》，是目前所能见到的发表最早的中国钢琴曲。他抓紧一切机会学习西洋音乐，有时为听一个演奏会，竟在深更半夜去排队购票。凡学校有歌咏、歌剧及话剧活动，都积极参加。他曾经用英文写过独幕话剧剧本《挂号信》。此剧反映一个中国留学生在美国讲英语的苦恼，上演时非常受人欢迎。

　　1920年回国，到清华大学任教。是年冬，英国哲学家罗素到中国讲学，赵元任充任翻译。陪同罗素周游各地，所到之处，均用当地语言翻译，各界人士公认他的语言天才。事后，他即向语言方面深造。次年，与会说好几种方言的医学博士杨步伟结婚。秋，去美国哈佛大学教汉语、哲学，并钻研语言学。这一时期，先后赴法国、德国、英国进行考察，打下扎实的语言学基础。1925年，清华大学设国学研究院，应聘回国任该院导师，与著名学者梁启超、王国维、陈演恪并列清华“四大导师”。他致力于研究方言，先到江浙两省调查吴语方言，撰有《现代吴语的研究》一书。此书影响很大，被著名学者王力誉为“研究方言的典范”。他调查方言的科学方法，成为后人研究方言的效法模式。

　　1929年，中央研究院历史语言研究所成立(1934年迁南京)，他辞去教席，应聘到语言所任研究员兼语言组长，制订了研究语言的长远计划：准备对全国的汉语方言及非汉语语言，作详细调查，然后整理出来，作为以后研究语言的参考资料；建造一个有相当规模的语言实验室，把调查到的语言材料，灌制成永久性的音档，以便日后随时听写整理。接着，他开始督造语音室，同时拟订方言调查表各1000字单字表，供调查参考，并率队调查安徽徽州、江西、湖北、湖南，准备调查福建时，抗日战争爆发，被迫中断。他将调查材料，写出了《钟说方言记》、《瑶歌记音》和两册《湖北方言调查》(4人合作)。语音室造好后，曾灌制近千张语言唱片音档。1937年8月，日军侵华，他随语言所迁到长沙。1938年，应美国大学邀请，率全家移居美国。不久加入美籍，历任耶鲁、哈佛、密执安、加利福尼亚等大学教授和普林斯顿、俄亥俄州大学名誉博士及美国语言学会主席。教学之余，继续研究语言、语法，撰有《语言问题》、《中国音韵学研究》、《中国话的文法》、《中国话的文字》、《国语入门》、《国语词典》、《语言学跟符号系统》等30余部语言学专著和《音位标音的多能性》、《中国社会语言学论文集》等100余篇语言学论文。

　　他除语言外，在音乐方面也有较大成就。最初谱写的钢琴曲都刊登在《科学》杂志上。1922年在美国任教时谱写《卖布谣》、《劳动歌》、《小诗》、《过印度洋》和《秋钟》等歌曲。1925年回国在清华执教时，任校音乐委员会主任，并发起成立琴韵歌声会。这一时期，创作《海韵》(徐志摩词)、《教我如何不想他》(刘半农词)、《听雨》、《上山》、《也是微云》等大量抒情歌曲。1928年，这些歌曲汇集出版《新诗歌集》。在这些歌曲中，他把西方音乐的技巧与中国的传统音乐结合起来，具有强烈的中国民族风味。著名音乐家萧友梅在1930年说：“这十年来出版的音乐作品里头，应该以赵元任先生所作的《新诗歌集》为最有价值。”30年代国内平民教育、儿童教育兴起后，为陶行知的诗词等谱写《小先生歌》、《手脑相长歌》、《人人都说小孩子》、《春天不是读书天》、《自立立人歌》。1937年抗日战争爆发后，谱写了《抵抗》、《背着枪》(又名《自卫》)、《抵制日货》、《我是北方人》、《看醒狮怒吼》等抗日歌曲。以后，这些作品汇集出版《儿童节歌曲集》和《赵元任歌曲选集》，被萧友梅称为“中国的舒伯特”。

　　中华人民共和国成立后，他于1973年、1981年两次回国探亲观光，周恩来、邓小平接见了他。他将晚年研究的《通字》书稿，交商务印书馆出版。1981年，北京大学授予他名誉教授称号。