赵元任1892年11月3日生于天津。父亲衡年中过举人，善吹笛。母亲冯莱荪善诗词及昆曲。1900年赵元任回到老家常州青果巷，在家塾2中读书。早年所受民族文化熏陶，对他一生事业有着深刻的影响。赵元任从小就显露出语言天才，各种方言一学就会。14岁进常州溪山小学。19O7年入南京江南高等学堂预科，成绩优异，英语、德语都学得很好，深得美籍英语教师嘉化的喜爱。嘉化常邀赵元任去他家中作客。嘉化夫人善于弹钢琴和唱歌，赵元任跟嘉化夫人学唱过《可爱的家庭》和《离别歌》等歌曲，是为他接受西方音乐之始。1909年赵元任考取了留学美国的官费生，在康乃尔大学主修数学，选修物理、音乐。向姜斯东学习作曲，向夸尔斯学习钢琴与和声，向席佛曼学习钢琴，还上过多年的声乐课。1914年获数学学士学位。在该校哲学院研究1年后，1915年人哈佛大学主修哲学并继续选修音乐，在哈佛期间的音乐教授有希尔和斯帕尔丁。1918年在哈佛获哲学博士学位。又在芝加哥和加州大学作过1年研究生。1919年回康乃尔大学物理系任教1年。1920年赵元任回国担任清华学校的物理、数学和心理学课程，同年冬曾为英国著名哲学家罗素来华讲学担任翻译。在清华期间，赵元任与杨步伟结婚。

1921年赵元任夫妇到了美国，赵元任在哈佛大学任哲学和中文讲师并研究语言学。1925年赵元任回清华大学教授数学、物理学、中国音韵学、普通语言学、中国现代方言、中国乐谱乐调和西洋音乐欣赏等课程。他与梁启超、王国维、陈寅恪一起被称为清华“四大导师”。1928年作为研究院语言研究所研究员，进行了大量的语言田野调查和民间音乐采风工作。1938至1939年教学于夏威夷大学，在那里开设过中国音乐课程。1938至1941年，教学于耶鲁大学。之后又回哈佛任教并参加哈佛、燕京字典的编辑工作，其间加入了美国国籍。1946年国民党政府教育部长朱家骅拍电报请赵元任出任南京中央大学校长。赵元任回电：“干不了。谢谢！”从1947年到1962年退休为止，赵元任在伯克莱加州大学教授中国语文和语言学，退休后仍担任加州大学离职教授。1945年赵元任当选为美国语言学学会主席。1952年荣任阿加细(Aggasiz)基金会东方语和语文学教授。1959年曾到台湾大学讲学。1960年又被选为美国东方学会主席。1973年，中美关系正常化刚起步，赵元任夫妇就偕外孙女昭波和女婿迈克回国探亲。5月13日晚至14日凌晨，受到周恩来总理的亲切接见，周总理还跟赵元任谈到文字改革和赵元任致力研究的《通字方案》。在座的还有郭沫若、刘西尧、吴有训、竺可桢、黎锦熙等诸友。1981年，丧妻不久的赵元任应中国社会科学院语言研究所之邀，偕长女赵如兰、女婿卞学磺、4女赵小中再次回国探亲，受到全国政协主席邓小平的热情接见，并接受了北京大学授予的名誉教授称号。

1982年2月24日赵元任逝世于美国马萨诸塞州坎布里奇。加州大学为他设立了赵元任基金会，4月4日隆重举行了赵元任逝世纪念会。