1910年8月16日，胡适、赵元任等留美学生在上海码头登船“放洋”，抵达美国后，分属于不同的学校就读，赵元任与胡适等人同入康乃尔大学（按：即胡适早年所说的康南耳），胡读农科，后入文学院，主修哲学；赵读数学、物理。1914年，赵元任以全校总分第一名的成绩毕业，并与任鸿隽（叔永）、杨铨（杏佛）、胡达（明复）、张准（子高）、周仁等等十几位中国留学生发起组织成立“中国科学社”，出版《科学》月报，以“联络同志，研究学术，以共图中国科学之发达”为宗旨，开展科学活动。与此同时，赵元任开始研究中国语言学，并与胡适等人写出了以“中国语言问题”为主旨的若干篇讨论文章。1915年，胡适入哥伦比亚大学从杜威研修哲学，赵入哈佛大学攻读哲学和科学史。1917年5月22日，胡适在哥大参加了博士学位答辩后匆匆归国，旋任教于北京大学，未久即成为新文化运动的主将，中国文化史上一个倡导白话文的“胡适时代”业已来临。

1918年，赵元任获哈佛哲学博士学位，1920年应聘回国入清华学校任教，担任物理、数学和心理学教师。同年10月，英国大哲学家罗素来华到各地做学术演讲，赵元任被推荐担当罗氏的翻译。此前，美国大哲学家杜威来华讲学，由“爆得大名”的胡适担当翻译，此时可见赵元任在人们心目中的地位已直逼胡适，非同寻常了。1921年8月，赵元任应美国哈佛大学之聘任讲师，主要讲授中国语言学，同年出版了《国语留声片课本》，并发表《国语罗马字的研究》等论文，对中国现代语言学具有开创奠基之功。1925年，赵在美国所做的惊人成就被清华大学教务长张彭春得知，乃有向曹云祥校长荐举之事。