丁聲樹大學畢業，經北京大學教授推薦，進入中央研究院歷史語言研究所工作。丁聲樹他努力探索，深入鉆研，以廣博的學問、過人的見識、嚴謹的作風，在語言科學領域不斷地攀登高峰，在漢語訓詁、音韻、語法、方言、詞典編纂各個方面都有很深的造詣，並取得了突出的成就。 他的學術生涯就是從訓詁學入手的。三四十年代，他基本上是致力於古漢語中典型字詞的研究，發表過十多篇論文。這些論文，通過個別字詞用法研究，對古漢語語音、詞匯、語法進行了概括而深刻的闡述。古今結合，融會貫通，以新穎的思路，科學的方法，開創了訓詁學研究的壹代新風。
《釋否定詞‘弗’‘不’》
1934年1月，他寫了壹篇兩萬多字的論文《釋否定詞‘弗’‘不’》。“弗”與“不”是古漢語中常見而意義又很相近的兩個否定詞，其意義和用法早已引起人們的註意，也有些人對它們做過研究。有的說它們相同，有的認為它們有區別，但到底它們的區別在哪裏，又說不清楚。東漢何休、清人段玉裁從語氣上說它們有深淺重輕曲直之別，令人難以捉摸。丁聲樹詳細分析“弗”“不”二字在《詩經》、《易經》、《禮記》、《左傳》、《國語》、《墨子》、《論語》、《孟子》等先秦典籍中的用法，列舉了170多個例句，充分論證了它們之間的區別：“‘弗’字是壹個含有‘代名詞性的賓語’的否定詞，略與‘不之’二字相當；‘不’字則只是壹個單純的否定詞”。這篇文章發表後，以其資料豐富、論證科學、見解新穎精辟受到學術界的極大重視。丁聲樹以此文壹舉成名，當時他只有25歲。
《詩經“式”字說》
1936年，他發表《詩經“式”字說》，以大量材料，對“式”在《詩經》中的用法做出精當解釋，指出在《詩經》中“式”每與“無”對言，“‘式’者勸令之詞，殆若今之言‘應’言‘當’”。此文“抽繹全詩”、“反復推求”，糾正了前人將“式”解釋為“用”或指為無義的語助詞的說法。文化學術界知名人士胡適看到此文，大為贊賞。他寫信給丁聲樹說“此文最大貢獻在於指出‘式’與‘無’的對列聯文”，贊揚“從此入手，真是巨眼，真是讀書間得，佩服佩服！”
《詩卷耳芣苢“采采”說》
1938年，丁聲樹寫成《詩卷耳芣苢“采采”說》壹文，他通考全部《詩經》以及先秦群經諸子，論證了“三百篇中，外動詞不用疊字，凡疊字之在名詞上者盡為形容詞，則《卷耳》、《芣苢》之‘采采’，其義自當為眾盛之貌，不得訓為采取。”他從“采采”這壹疊詞的研究，推及先秦時代只有形容詞和不及物動詞可以重疊，及物動詞不能重疊的規律。嚴密的論證，精辟的結論，令人耳目壹新。
《論〈詩經〉中的“何”“曷”“胡”》
1942年，他寫出了名為《論〈詩經〉中的“何”“曷”“胡”》的力作，分析了“何”、“曷”、“胡”三個疑問代詞在《詩經》中用法的區別。他論定“‘曷’字在《詩經》中絕大多數的用法是表‘何時’，而且壹律指的是未來的時間”；“‘胡’字在《詩經》中絕大多數之例都是表‘何故’。‘何’、‘曷’偶然也有這樣用的，但很不多見”；“何”的用法則有表示“何物”、“何事”，加在名詞前作修飾語，用於“如何”、“如之何”，表示“何處”等。以充分的材料，周密的分析，歸納出三個詞的不同用法，結論確當，令人信服。
1943年他寫的《“何當”解》，1944年寫的《“早晚”與“何當”》等，同前面講到的文章壹樣，都是丁聲樹從事訓詁研究的重要論文，對前人的解說有所補充或糾正，為訓詁學做出了突出貢獻。 在音韻研究方面，丁聲樹做了很多的工作。早在1943年，他寫過《“碚”字音讀答問》，論證“碚”字在四川當地人讀作“倍”是相沿的舊音，而外鄉人每讀為“培”則是望文之訛誤。文章從四川北碚、綦江、犍為等地名中壹個字的讀音正誤，推論語音變化的通例：“蓋口耳相傳，易存舊讀，而望文為音，輒致訛變。”他發表的《說“匼”字音》也同樣是貫串古今，解決壹個字的讀音的佳作。這篇文章不過3000多字，卻征引了字書、韻書、訓詁著作12種、詩文13家、詩文註音5家、其他書兩種，以極為充分的材料，斷定“匼”在普通話中應當讀kē，而壹向被人奉為圭臬的《康熙字典》的註音鄔感切（ǎn）“似乎是壹個缺乏根據、大有問題的音”。論證鞭辟入裏、嚴謹細密，經得起推敲。1952年，丁聲樹發表《談談語音結構和語音演變規律》壹文，以極為通俗易懂的語音構造、對應、演變等音韻學的基本問題進行深入淺出的說明。
1957年和1958年，丁聲樹寫了《漢語音韻講義》和《古今字音對照手冊》兩本音韻專著。前者是他為普通話語音研究班講課編的教材，每章都有習題，最後有總復習大綱；後者是本工具書，收常用字六千左右，按韻母排列，以今音（普通話語音）為綱，註明每字在古音《廣韻》系統中的音韻地位。李榮先生評論說：“《手冊》是《講義》的基礎，《講義》是《手冊》的升華。《漢語音韻講義》文字精煉，條理清楚。事實是已知的，說法全是新鮮的。《講義》跟《方言調查字表》對讀，可以初步掌握《廣韻》系統與北京語音的關系。《手冊》有好些本字的考訂。考訂本字根據古今音變的規律，又充實了古今音變的規律。還有，《手冊》的例言是壹篇無懈可擊的文字。” 從1961年開始，丁聲樹兼任了語言研究所詞典編輯室主任職務。他花了兩年多的精力做《現代漢語詞典》（試用本）的通讀定稿工作，後來又主持這本詞典的修訂和《現代漢語小詞典》的編輯定稿工作。他總是親自搜集資料，制作卡片，核對材料，校改稿樣，虛心聽取意見，反復審訂條目。他壹心撲在詞典上，加班加點地工作，節假日也很少休息，真可謂“焚膏油以繼晷，恒兀兀以窮年”，為編輯詞典嘔心瀝血。《現代漢語詞典》出版十多年來，印行了100多個印次，發行量達1700多百萬冊，在社會上產生了廣泛而深遠的影響，在推廣普通話、促進漢語規範化方面起了重要作用，對漢語教學和研究工作也有壹定的參考價值。李榮說，這部詞典“用白話解釋白話，突破了前人用文言解釋白話的框框，意義分析周到妥帖，虛字用法提要鉤玄，可以說是訓詁學上壹項成就”。詞典是集體著作，書的質量如何，與主編的學術水平有極密切的關系，這是不言而喻的。主編《現代漢語詞典》，是對中國辭書事業的重大貢獻。
1979年，《現代漢語小詞典》的編輯定稿完成以後，丁聲樹又投入了《現代漢語大詞典》的編輯籌備工作。他任主編，成立了編輯委員會，制定了編寫方針、計劃。編寫工作尚未開始，又進行了《現代漢語小詞典》排印校對工作。在緊張的工作中丁聲樹病倒了，從此，他不得不離開他從事的詞典編輯和其他學術研究工作了。