陈垣在元史、历史文献学、宗教史等领域皆有精深研究，给我们留下了十几种专著、百余篇论文的丰富遗产。特别是他的宗教史研究范围十分广泛，对已消亡的外来宗教，如火袄教、摩尼教、一赐乐业教做过专门研究；也就佛教、基督教、伊斯兰教等世界三大宗教在中国的兴起和流传写过不少论著；对中国本土的道教，也撰有专书。他的宗教史研究，同时也是中外文化交通史研究的重要内容。
　　
（一）宗教史研究

　　人们都称陈垣先生是宗教史专家，这是事实，他几乎是没有一门宗教不研究。除了《古教四考》 （《元也里可温教考》《开封一赐乐业教考》、《火袄教入中国考》、 《摩尼教入中国考》 ）外，他还有《回回教入中国考》、《明季滇黔佛教考》、《清初僧净记》、《南宋初河北新道教考》、《中国佛教史籍概论》、《释氏疑年录》等著作。
　　“古教四考”使陈垣登上史坛，走向世界，也为民国学术史增添了具有世界意义的光彩一笔。
　　《元也里可温教考》，1917年5月写成，曾经多次修改、印行。也里可温是元代基督教总称。过去以为此教资料多在海外，而本国典籍无征。该文则专以汉文史料进行研究，除《元史》外，还利用了地方志、金石录、书画谱等60多种材料，论证了隐晦七八百年，无人能道的也里可温教。
　　《开封一赐乐业教考》，1919年11月写成。开封一赐乐业教即犹太教。该教在明清时所立的三篇碑文，对其何时传至中国，说法不同。陈垣用种种方法证明开封犹太教非宋以前所至，汉文典籍对犹太教的记载始见于《元史》，元以前无征。文中还详细考证了该教与回教之异同、教中人物之大略、寺宇的沿革、经文的内容和源流。
　　《火袄教入中国考》，1922年4月撰。火袄教又名拜火教，唐初传入中国，颇见优礼。唐时外来宗教，除火袄教外，还有大秦、摩尼、回回三种。回教在唐代未盛，记载尚少；其余三教，因都来自波斯，唐宋学者分辨不清，记载每有错误。清代学者如钱大昕等也常把它们混为一谈。此文除叙火袄教的起源、兴衰外，还将典籍上三教混同记载的错误一一指出，予以辩证。
　　《摩尼教入中国考》，1923年写成。摩尼教是波斯人摩尼创立的，它由拜火、基督、佛教糅杂而成。陈垣取敦煌摩尼教经卷和其它材料，考明摩尼教始于唐武周长寿二载（694年）传入中国及其历唐、宋、元、明数朝在中国流行的情况。
　　“古教四考”陆续出版后，好评鹊起。加上稍后问世的《元西域人华化考》、《基督教入华史略》等论著，这些以宗教史研究来拓展中西文化交流史研究的学术成果，是陈垣对民国学术的重大贡献，也是使当时的中国学术界推陈出新，与国际汉学界接轨的不可多得的尖端成果。
　　
（二）校勘学研究

　　
　　陈垣在研究历史文献的时候，非常注重于研究目录校勘和工具书的使用。
　　目录学是搞学问的门径，是掌握书目、书的内容、版本以及相关书目的一门学问。一个人要搞学问，必须掌握目录学。
　　陈先生在年轻的时候，就熟读了《四库全书提要》与张之洞的《书目答问》。《四库提要》对清朝搞学问的人来说，确是做了不少的工作，它对每本书都作了介绍，对初学者帮助很大，今天也还要好好利用。张之洞《书目答问》写于光绪元年（1875年），陈先生把这两本书读得很熟、很精，而且也要学生好好去读。
　　陈先生辛亥革命后到了北京，曾花很长时间研究《四库全书》 。他写过两本书。一是《四库书名录》 ，一是《四库撰人录》 。他研究《四库》与别人不同，别人只是要看什么书到《四库》中去找，他却是研究《四库全书》收编的书是如何写成的，它有哪些版本。
　　学习和研究中国历史，由于资料特别丰富，头绪也特别多，单靠脑子记不行，必须依靠工具书，学会利用工具书。陈先生对这方面很重视，作出不少成绩。
　　陈先生发表的重要工具书是《中西回史日历》和《二十史朔闰表》 。陈先生这两本工具书解决了中国史上一个极为复杂的问题，是我们学习和研究历史所不可缺少的。
　　陈先生编写这本书，花费很多精力，他后来有二十多年不能正常吃饭，就是因为当时一天到晚坐在那里废寝忘食地算历法搞成了胃病。
　　陈先生还著有《史讳举例》 。
　　避讳，是中国历史上的特点，每一朝有每一朝的避讳。陈先生精心研究，总结出几种方法，弄清了在什么情况下是如何避讳的。在该书第八卷中列出了我国历代的避讳表，每一朝避什么，如何避。这是每一个中国史学工作者必须具备的知识。因为中国古书上避讳太多了，不懂它，就不懂校勘学，对历史上的一些问题也就弄不清。
　　此外，他为了研究元史，还编出元朝六十家文集的目录。这书稿没有印，北京图书馆藏有抄本。他在研究《册府元龟》时，一开始就先作有关《册府元龟》的工具书，然后再动手研究。
　　
（三）元史研究

　　
　　清朝学者研究元史的人很多，多少是看到清朝很像元朝。康熙年间，邵远平著《元史类编》，要把元史重新改编。乾隆间，钱大昕编撰《元史氏族表》与《元史艺文志》，对元史很有研究。鸦片战争前后，魏源编了《元史新编》，以后，搞元史的人很多，直到清末，柯劭忞编著《新元史》，集清一代元史研究之大成。清朝一代研究元史，是先后继续的，到后来更发展到对西北史地的研究。
　　陈垣先生研究元史与前人不同，他着重搜集有关元朝民族的历史与元朝宗教的历史的资料，进行研究，参考了二百多种书，写成《元西域人华化考》一书。
　　元朝把人分为四等：蒙古人、色目人、汉人、南人。陈先生所指的西域人主要是色目人。他研究这些人在元朝进入中国后，如何被汉族同化了的。
　　陈先生撰《元西域人华化考》用力很大，他采用新的方法，集中问题，深入研究，作为旧史学家进行考证工作，不能不说是一大进步。
　　陈先生也肯定了《元史》，认为它保存了原来的材料，没有擅自改动，所以把它作为史料来看还是有用的。当然，研究元史，不能仅靠它，还要利用元朝六十家的文集。我们研究历史，不能只用史部的书，经部、子部、集部的著作都应加以利用。
　　陈先生著作目录年表第一部著作是《元也里可温教考》，虽然这是研究宗教的，但实际上也是一部元史著作。
　　日本研究元史的学者，对陈先生很钦佩，他们承认《元西域人华化考》、《元也里可温教考》这两本书日本人是搞不出的。