《宋元戏曲史》是王国维避居日本时的作品，他融通中西，确定了中国戏剧的起源、形成及艺术特质，勾勒出宋元戏曲发展史的轮廓，肯定了元杂剧和南戏的历史地位和美学价值，为戏曲史研究积累了系统而丰富的资料。《宋元戏曲史》是他研究戏剧文学的高峰，在一定意义上说，它填补了中国戏曲史研究的空白。它以时代为序，梳理古代戏曲的流变，论述古代戏曲的文学和美学价值。他以独特的审美视角，拈出“自然”、“意境”等审美范畴来客观评价元杂剧，认为元曲之佳处在于自然，元杂剧最佳之处亦不在其思想结构，而在其文章。他提出“一代有一代之文学”的观点，从而肯定了元杂剧乃至戏曲在文学史上的重要地位。《宋元戏曲史》发表之后，一时声誉不断，1946年郭沫若《鲁迅与王国维》称王国维的《宋元戏曲史》和鲁迅的《中国小说史略》“是中国文艺研究上的双璧”。该着在日本出版后，引发日本汉学界关注中国戏曲的研究热潮，青木正儿《中国近世戏曲史》就受泽王国维《宋元戏曲史》甚多。
在日本，王国维可以静守书斋，埋头做学问。他一度对史地考证产生了浓厚的兴趣，在史学研究中，他以长篇大论去探究历史、地理的交叉领域，留下了一批运用文献和金文资料写就的、专门论述先秦两汉地理及西北历史地理的论着。
王国维在此期间的甲骨文研究，尤其值得一提。清人王懿荣是第一位发现甲骨文的学者，河南安阳小屯村的一农民在田间劳作之时，偶然发现了殷墟甲骨，它们最初被视为中药药引，当地商家搜集后，长途运往北京、天津销售。时任国子监祭酒的王懿荣因病去北京宣武门外菜市口达仁堂抓药，对其中一味名为“龙骨”的药特别在意，意识到这些刻在甲骨上的图案、线条是古代的文字。欣喜之余，马上不惜重金大肆搜购。可是王懿荣还没来得及研究，1900年八国联军攻陷北京，王懿荣投水自尽殉国，千余片刻有甲骨文的龙骨悉为《老残游记》的作者刘鹗所得。刘鹗是罗振玉的儿女亲家，是近代最早研究甲骨文字的学者，1903年他编有《铁云藏龟》一书，该书是中国第一部介绍甲骨文的专着。1904年，孙诒让写出《栔文举例》来考释甲骨文字，这是甲骨文研究史上第一部专门研究甲骨文形、义的专着。
自1906年起，罗振玉开始关注甲骨文，次年着力搜集甲骨。辛亥革命之时罗振玉所藏甲骨已达二三万片，并在赴日之际悉数运往日本。1913年的《明堂庙寝通考》可谓王国维切入甲骨文研究的起端，他以金文和龟卜文字相互印证，借以研读《说文解字》来考释汉字的演化，显示其非凡的学术识见。1915年王国维撰写了《殷虚卜辞中所见地名考》、《三代地理小记》，二文运用传统文献资料和出土甲骨文字相互考释的方法，强化研究方法的科学特质，《殷虚卜辞中所见地名考》对甲骨文所提到的相关地名，逐一考证，开创甲骨文研究与史地相结合的先例。1915年，罗振玉在王国维的协助下完成甲骨学史上具有里程碑意义的《殷虚书契考释》一作，全书从都邑、帝王、人名、地名、文字、卜辞、礼制、卜法八个方面对出土的甲骨文进行分类考释。王国维为其撰写了《序》和《后序》，在《序》中，王国维指出自三代以来，古文字研究有三个突破，即古文间出、孔壁汲冢和今之殷墟。在《后序》中，王国维褒奖罗振玉此作为“三百年来小学之一结束也！夫先生之于书契文字，其搜集流通之功，盖不在考释下”，立足文字学高度充分肯定罗振玉的功绩。
要而言之，王国维考释甲骨文，并非纯粹地为考释而考释，而是结合古代礼制、历史、地理、文化来相互印证。1916年《殷礼徵文》侧重文史结合来考察殷代的祭祀制度，客观树立了史学研究的范式。王国维之所以在古文字、古史研究领域取得丰硕的成就，得益于他在该领域中研究方法的突破。他以甲骨文的记载来印证古史，这种以古文字与古器物来考证古代史的研究方法，即为“二重证据法”。“二重证据法”正式见于1925年的《古史新证》：“幸于纸上之材料外，更得地下之新材料。由此种材料，我辈因得据以补正纸上之材料，亦得证明古书之某部分全为实录。”实际上，1917年完成的《殷卜辞中所见先公先王考》、《殷卜辞中所见先公先王续考》、《戬寿堂所藏殷虚文字考释》、《殷周制度论》等文就很好地运用了“二重证据法”。
旅居日本的几年，王国维学术兴趣逐渐由教育学、哲学向小学、考古学、史学转移。
1916年2月，王国维从日本京都启程回国，海宁同乡邹安推荐他去上海的仓圣明智大学任教。该校是英籍犹太人哈同创办的，校长为江苏人姬觉弥，该人口碑极差，刻薄寡恩，器量狭窄，很难容人，不懂办学却喜附庸风雅。王国维第一次与哈同园里的人接触，感觉就很糟糕。但是远在日本的罗振玉，劝其以学术为重，利用哈同园的学术资源，进一步开拓小学研究。出于对学术的热爱，王国维出任哈同园的《学术丛编》主编。就任之后，他仿照西方大学的办刊样式，重点凸显古代经籍、礼制、文字源流等内容。该杂志大量刊载了王国维本人、罗振玉等大家的文章，保证了该刊的学术品位，一出刊即在国内外享有盛誉。1917年，姬觉弥邀请王国维兼任仓圣明智大学教授，讲授经学，考虑到治学的便利和经济方面的问题，王国维再次答应对方的要求。
王国维在哈同园工作期间，因为各个儿子陆续上学，经济吃紧，于是王国维谋就另一份工作来补贴家用。1919年9月王国维开始为浙江人蒋汝藻编《密韵楼藏书志》，以给家用。
王国维以提倡天下学术为己任，一生多为生活所累，但他在学术上取得了惊人成就，远播海内外。胡适1922年8月28日的日记有如此记载：“现今中国学术界真是凋敝零落了。旧式学者只剩王国维、罗振玉、叶德辉、章炳麟四人；其次则半新半旧的过渡学者，也只有梁启超和我们几个。内中章炳麟是在学术上已半僵了，罗与叶没有条理系统，只有王国维最有希望。”胡适高度肯定王国维学术成就，竭力向蔡元培推荐王国维。其实，早在1917年，蔡元培出任北京大学校长不久，耳闻时在哈同园任职的王国维的学术造诣，就委托马衡写信给王国维，欲聘请他担任北大文科教授，却被王国维婉言谢绝。
其后，分别在1918年1月、1920年年底，北京大学又两次聘请，但均遭王国维谢绝。1918年，日本京都大学教授内藤虎次郎出于仰慕，也邀请王国维去该校任职，亦被他推却。若考察王国维谢绝应聘北大之因，不外四点：其一，王国维回上海后结交了不少学术同仁，与沈曾植、蒋汝藻、缪荃孙诸人就文论史，其乐融融，获益匪浅；其二，在哈同园里，他尚有许多未了之事，譬如为哈同夫妇整理甲骨文，拓展自己的国学研究，斯时他学术研究正处最佳状态，他还想延续这种状态；其三，王国维的儿辈多在南方上学，举家搬迁并非易事；其四，埋头于书斋的他很少真正接触社会，对社会运动怀有莫大的恐惧，北大作为五四运动的发源地之一，在王国维心底还留有余悸。
北大方面考虑到王国维的实际情况，在蔡元培的精心安排下，转而聘请他为通讯导师。1922年3月，多次婉拒邀请的王国维被对方的一番诚意所打动，终于接受邀请，1922年8月，他的《五代两宋监本考》刊于北京大学《国学季刊》第一卷第一号上，王国维正式开始短暂的北大通讯导师工作。
王国维指导学生重在传授方法论，他和蔼近人，以一位谦谦君子身份与学生通信，激起北大学子对传统文化的喜爱。这在号称新文化发源地的北大，掀起一股回归传统道德文化潮流，洵为可贵。他认为大学教育不应闭耳塞听，应该多关注其他民族的语言、多学习外国的古文字，选派留学生要注重史学根底，这些建议均显示他独到的看法。1924年底，北京大学考古学会发表《保存大宫山古迹宣言》。该文斥责清室出卖国宝、破坏古迹的行为。王国维阅读此文后，非常不满，不能容忍该文中反复直指溥仪其名的行为，并认为皇室财产是私产，他们有处分权。出于维护清室利益的考虑，王国维以身体孱弱、心绪恶劣为由，辞去北京大学国学门通讯导师工作，并向胡适和容庚索回拟在《国学季刊》发表的《水经注》论文和金石文跋以表决心。
