1910年考取清华学校公费留学生，先后在美国康奈尔大学和哈佛大学就读数学、物理和哲学，并获物理学、哲学博士学位。在此期间，他还选修了和声学、对位法和作曲法及声乐，并坚持弹钢琴。
1914年创作出中国第一首钢琴曲《和平进行曲》。1920年回国任教于清华学校。1921年赴美国哈佛大学教授哲学、汉语。1924年游历欧洲并在法国研究语言学。1925年回国任清华学校国学研究院教授，讲授音韵学。
1938年定居美国，先后在夏威夷大学、耶鲁大学、哈佛大学、加利福尼亚大学等校任教，又获文学、法学、人文学博士学位，并曾任美国语言学会会长和东方学会会长，享有国际声誉。赵元任作有钢琴曲、歌曲及合唱曲等作品百余篇。其作品音乐形象鲜明、风格新颖、词曲结合紧密富于韵味，许多作品还具有鲜明的爱国精神和民主倾向。
他还将高度的作曲技巧和鲜明的民族风格相结合，在音乐民族化实践方面进行了很多有益的探索。在和声的民族化方面，他常采用平行四、五度进行，大调主和弦上附加六度音程；在音调的民族化方面，他常采用一些民族民间音调作为其作品的音乐语言。如歌曲《教我如何不想他》吸收了京剧西皮原板过门的音调。
在音乐理论上他指出中国音乐有自己的“国性”，“值得保存跟发展”，并提出一些发展中国民族音乐的见解。其主要作品有：钢琴小品《和平进行曲》；歌曲《卖布谣》、《织布》、《教我如何不想他》、《西洋镜歌》、《老天爷》；合唱曲《海韵》以及论文《“中国派”和声的几个小试验》、《新诗歌集序》、《黄自的音乐》等。