董同龢先生就讀清華大學期間，嘗從王力先生習音韻學。王先生所著《漢語音韻學》壹書，即以董同龢先生之聽講筆記整理而成。其時唐《切韻》殘本正引起學者註意，董同龢先生亦頗留心於此。撰成學士論文《切韻指掌圖的幾個問題》，討論該書之作者及來源等問題。旋即入中央研究院歷史語言研究所，為趙元任先生助手，並時向李方桂、羅常培諸先生請益。趙元任先生為王力先生業師，是以先生日後每作書與趙先生，必以“再傳弟子”自稱。
自十七年至二十三年間，史語所陸續調查兩廣、陜南、徽州等地之方言。二十四年春，擬定全國方言調查總計畫，由趙元任先生領導，自二十四年春至二十五年冬，已完成江西、湖南、湖北三省之調查。先生初入史語所，即加入《湖北方言調查報告》之整理撰寫。雖未參與調查，而該調查報告中之分地報告實以先生之力居多，所撰者幾占全數之半。未幾，史語所因戰事遷移，方言調查工作無法按原訂計畫進行，而將調查對象轉向西南各省。二十九年春，調查雲南省，同年秋，調查四川省，先生均參與工作，實地從事方言調查。
史語所方言調查計畫之擬定，在於“以最少的時間獲得全國方言的大概情形”，故所采調查方式，以記錄某些預先選定之字為主。先生於參與調查之中，思考此種方法之得失，深知就該計畫之出發點而言，固然經濟有效，然若就語言整體了解觀之，則是法確有明顯之短處。壹則選字以現代各方言所自出之中古音系為據，求得之音韻系統，難免為演繹之者，而非歸納之者。二則以此方法所得語料，自成片斷之真實語言記錄極少，於詞匯與語法之觀察無從著手。是故先生執行史語所計畫時，亦頗思脫離漢字羈絆，依照語言研究之基本步驟記錄漢語。三十五年春，史語所第二次調查四川方言，先生於成都紀錄華陽涼水井之客家方言，始嘗試純以描寫語言學方法調查漢語，次年春撰成〈華陽涼水井客家方言記音〉，於三十七年發表。該文提供完全得自口語之語料，並由語料歸納音系，整理語匯，不僅為客語之第壹篇調查報告，亦為首次以純粹描寫語言學立場撰成之漢語方言調查報告。
方言調查工作之外，董同龢先生自大學起，對於漢語音韻史之興趣及研究，雖於顛沛之中亦未嘗停頓。三十三年在李莊石印出版《上古音韻表稿》，運用可靠材料與語言學理論擬構上古音音值，修正高本漢先生諸多看法。同時進行中古音之研究。三十五年以廣韻重紐問題研究之成果，與周法高先生同獲中央研究院楊銓獎金。三十七年發表〈廣韻重紐試釋〉，於三等韻重紐問題初步理出頭緒，以為重紐實系二類不同韻母之對立，而非聲紐無意義之相重，此種韻母之區別至為緊要，而向為學者所輕忽。次年發表〈等韻門法通釋〉，厘清明清以降說等韻門法者妄以己意附會而立說紛紜之謬。該文闡明門法沿革，辨明門法於劉鑒《經史正音切韻指南》所載〈門法玉鑰匙〉以前及其後實有不同；比較門法與其他等韻條文之異同，並根據對中古韻書與韻圖之最新認識，說明劉氏以前門法性質而逐條予以詮釋；更就劉氏以後門法變革論其得失。而此轇轕數百年之音韻學史料從此人人可識。
三十八年，董同龢先生隨史語所遷至臺灣後，即兼受聘為臺灣大學中國文學系教授。先生結合教學與研究，因講授聲韻學而編寫之《中國語音史》，於四十三年出版，建立其上古至現代完整之漢語音韻史系統。惟出版時因排印困難而有所刪節，日後始據遺稿增補，改名《漢語音韻學》。
在臺期間，仍持續從事方言調查。四十壹年春，利用帶領學生記音實習之機會，開始記錄閩南語，次年春與學生趙榮瑯、藍亞秀合撰成《記臺灣的壹種閩南話》，亦采調查華陽涼水井客家話記錄口語之方法。該書當時並未刊行，而於先生逝世四年後始出版。此後至四十三年赴哈佛訪問前，陸續記錄十餘種閩南方言，皆采相同方法，不用事先編訂之單字表與詞匯表，而隨機記若幹日常用語，及故事、俗語、歌謠等較長語料。四十六年先發表〈廈門方言的音韻〉，自陳發表該文動機，謂閩南話以廈門方言為主，雖已有諸多研究，然既親身觀察，而知前人所言猶有未盡。以現代之語言研究者立場而言，研究壹語言，求得其音韻系統，訂定壹套合宜之音標，實非易事。若研究者目的有異，處理材料之態度有所不同，則各家必不完全壹致。故自四十三年因離臺中斷閩南語紀錄研究，而正預備恢復繼續之際，將所見先行公布，拋磚引玉，以為日後工作之指標。四十九年復發表〈四個閩南方言〉三百餘頁，處理廈門、晉江、龍溪、揭揚四種方言，分為個別描述及比較音韻二部分。自言其本預備在已紀錄之十 多種閩南方言基礎上，隨時添加，俟材料齊全，將以進行大方言區之詳細比較研究，繪制方言地圖，然近年工作進行之中，時有感於此大功之告成，已不能寄望於最近之將來。壹則語言純粹之發音人日益難尋；壹則以壹人之力，整理眾多材料，實不知俟之何年。是故決定先就已有材料為初步處理。該文選取者，為閩南語中流行最廣之廈門話，及泉州方言、漳州方言、潮汕方言樣品各壹，已足以表現閩南語粗略輪廓。
四十六年夏，董同龢先生參與臺灣大學山地人類學研究隊，指導學生記音實習，始接觸臺灣南島語言中之鄒語。次年夏，帶領王嵩興、管東貴、鄭再發等再度赴阿裏山區調查鄒語八十餘日。至五十二年春撰成 《A Descriptive Study of the Tsou Language，Formosa》（《鄒語研究》）六百餘頁並付印。而先生旋即發病，終未能親見此壹力作出版。先生晚年，常向學生言及其願有二：壹為藉臺灣南島語言之調查研究，將語言學確實移植至國內；壹為利用現代語言學觀念，建立可稱為壹門學術之訓詁學。惜乎先生早逝，未能進行更多南島語之研究，而古籍訓解字義研究之計畫亦未及實行。
董同龢先生初入史語所時，嘗從羅常培先生問訓詁。羅先生意訓詁亦語言研究之壹部分，若由現代語言學之詞匯學、語意學、語源學入手，當能理出頭緒雲。其後先生時念以語言學知識運用於古書訓解，而苦無機會。四十七至四十八年間，受高本漢先生著《詩經註釋》激發，立意嘗試為之。系主任臺靜農先生對此亦表支持，因召集學生數人，每周舉行“古籍訓解討論”壹次，利用《詩經》、《戰國策》為材料，根據現代語文學基本知識，先排除不可理解有悖常理或不能持之有故之說，再嘗試建立可理解可信之說解。壹年之中，積極結論雖不多，而眾人從此知訓詁之不能任意為之，如有所見，必有所據而人皆可理解，至若有未能解決之問題，實因蒐集整理資料之基本工夫不足之故。四十九年，出版《高本漢詩經註釋》中譯本。自雲翻譯此書之意，在使有誌趣之年輕學者多多領悟：雖讀古書，而現代工具與方法極為重要。先生堅信若有壹學者，與高氏唯壹之異，僅在幼年所受薰陶為中國或為西洋文化背景之異，是二人解讀《詩經》，在語文學知識方法所能掌握之範圍內，必不致有基本之差別。
五十年二月廿壹日，先生在史語所講論會發表演講，題為“古籍訓解和古語字義的研究：壹個工作計劃的擬議”，提議逐部整理中國古籍，以單壹古籍為單位，研究其語法及語匯，以此為基礎，再從事整體比較研究。會中勞幹先生雲：“先生所為系發凡起例之工作，何時完成，不可預料，惟此乃壹方向。”先生逝世後，鄭再發先生整理其遺物，內有該次演講之草稿，其文末雲：“又有人說：照妳那麽說，要多少年做完呢？這我完全不能回答。顯然的，這不是壹個人所能做完的，壹個人如要做出壹些可觀的成績，畢生從事也還有希望。然而，我們都知道，近代的學問漸漸不是壹家之學了。這個計劃如值得做，史語所這個團體是責無旁貸的，在團體的進行之下，假我數年，……。”此未完之稿竟停筆於此，而天不假年，對於訓詁學之計畫終未能著手實行。
五十二年春，先生帶領學生鄭再發、丁邦新、鄭錦全、嚴棉等，調查高雄縣之南鄒語，步行十二小時陡峭山路始達目的地。調查期間日間記音，夜間督導學生制卡分析，工作繁重，導致胃痛不堪。下山後住院檢查，診斷為黃疸阻塞，開刀不治，於同年六月十八日逝世，享年五十三歲。身後留下遺孀及二子。
先生任教臺大中文系前後十五年，學生龍宇純、杜其容、鄭再發、丁邦新、梅廣、鄭錦全等均能發揚先生之學，為語言學界當代重要學者。先生訪問哈佛大學二年期間，梅祖麟先生適就讀該校，得有機會向先生請益受教，執弟子之禮。學生之中，丁邦新、梅祖麟、鄭錦全三位今皆為中央研究院院士。
先生生前出版之專著有《上古音韻表稿》、《中國語音史》、與趙元任先生等合撰之《湖北方言調查報告》等，譯著有《高本漢詩經註釋》。身後出版者有《鄒語研究》、《語言學大綱》、《漢語音韻學》（即《中國語音史》之完整原稿）、與趙榮瑯及藍亞秀合著之《記臺灣的壹種閩南話》、丁邦新先生所編《董同龢先生語言學論文選集》等。先生不僅於漢語古音研究有重要成就，於漢語方言研究復突破以往僅據《廣韻》字表調查之限制，增以長篇語料，更能真切掌握語言事實。其〈四個閩南方言〉又開方言比較研究先河，方言之歷史音韻研究基礎於焉奠立。羅傑瑞（Jerry Norman）先生即受該文啟發，而研究比較閩語有成，此亦可謂先生學術影響之壹端。先生所治，於漢語之外，更及於南島語言，其領域之寬廣、治學之嚴謹、眼光之遠大，有後學所不能及者。