他曾經信仰過壹段時間的宗教，所以從1917開始，他下大力氣寫基督教在中國的歷史，於是有了《園冶裏柯文考》這本書。在他看來，中國的基督教，唐代是景教，元代是耶日克文，明代是天主教，清朝以後是耶穌會。所謂“耶日克文”，是元代基督教的總稱。武鶯，葉裏克文在中國消失了。但作為壹部宗教史，它也是世界宗教史的組成部分。他的作品不僅引起了中國文學界的關註，也引起了國際宗教史研究學者和專家的關註。此後，先後撰寫專著《中國祆教考》(1922)、《中國摩尼教考》(1923)、《中國伊斯蘭教回歸簡史》(1927)。
他在研究宗教史的同時，還註重元史的研究，從事《元張顛》的修訂工作，利用200多種相關資料撰寫了《元代西域人化考》壹文，受到國內外史家的高度評價。在研究元的過程中，他用元校勘沈，再用其他書互相校勘，發現沈有壹萬兩千多處偽誤、偏誤、倒置，於是加以歸類、分析，指出錯誤的原因。1931年，他寫了壹部《元校釋案》。
他在校勘和考古方面的成果有《五代舊史叢書(1937)的回復》、《二十史閏表》、《中西史歷》等。他閱讀了大量宋人、清人寫的有關避諱的記敘，並廣泛收集、引用了100多種古籍，寫成了《歷史避諱舉例》壹書，“意欲對避諱的歷史做壹個總結，給考官多壹條途徑和壹把鑰匙”。
七七事變爆發後，北平被日軍占領。他臨危不懼，與敵人進行了堅決的鬥爭。在大學講壇上，他講了顧的《日知錄》和全的《柴犬亭集》，以表彰抗擊清朝的民族英雄，以此鼓勵學生愛國。同時，他還以歷史研究為武器，陸續發表歷史著作，抨擊敵人、偽軍和漢奸，表現出不屈不撓的民族氣節。八年抗戰期間，先後撰寫了《南宋河北新道教》、《明代雲貴佛教》、《清初僧人筆記》、《中國佛教經典概論》等宗教史論文。，都包含了諷刺當下，表現世界的意圖。
1948年3月當選為中央研究院院士。
中華人民共和國成立時，他69歲。在掌握豐富歷史知識和深入研究寫作的基礎上，他很快接受了新事物。在接下來的十年裏，他寫了二十多篇短文。但文革期間被軟禁，直到6月1971，才忍氣吞聲。
1951年11月，政協壹屆三次會議結束後，毛澤東和陳元在懷仁堂舉行國宴時同桌。毛澤東向別人介紹:“這位是陳垣，博覽群書，是我們國家的國寶。”
陳垣先生結過兩次婚，育有十壹名子女，其中長子陳樂素先生(1902-1990)也是壹位頗有成就的史學家。