呂叔湘先生的研究重點是漢語語法。主要著作有《中國文法要略》、《語法修辭講話》(與朱德熙合著)、《漢語語法分析問題》、《漢語語法論文集(增訂本)》等。呂叔湘先生參與撰述並審訂了《現代漢語語法講話》，直接參加了“暫擬漢語教學語法系統”的制訂工作。呂叔湘先生是我國最具社會影響的詞典《現代漢語詞典》的前期主編和我國第壹部語法詞典《現代漢語八百詞》的主編。這些著作引例弘富，分析精當，在漢語語法體系建設以及理論和方法上都具有開創意義，成為半個多世紀以來我國現代漢語語法研究最有影響的重要成果。呂叔湘先生是我國近代漢語研究的拓荒者和奠基人。從40年代開始發表的專題論文到80年代出版的《近代漢語指代詞》(江藍生補)代表了呂叔湘先生在近代漢語研究方面的總體成就，不僅填補了白話語法研究的空白，而且具有方法論上的示範作用。
新中國成立之後，呂叔湘先生親自主持和參與了許多重大語文活動和語文工作計劃的制訂。1955年在現代漢語規範學術會議上，他和羅常培先生聯名作了現代漢語規範問題的重要報告。1980年呂叔湘先生在中國語言學會成立大會開幕式上作的《把我國語言科學推向前進》的學術報告中，提出要處理好中和外的關系、虛和實的關系、動和靜的關系、通和專的關系，為我國語言學科的發展指明了方向。
1983年主持翻譯了著名語言學家L.R.帕默爾的著作《語言學概論》（李榮、王菊泉、周煥常、陳平譯），為我國語言學的研究做出了重要的貢獻。