王士元提出了词汇扩散理论，这是历史语言学中具有世界影响的一个经典理论模型。他的团队为约20种汉语方言创建了首个语言学数据库，为词汇扩散理论提供了充分的证据。这一理论其后在许多其他语言中也得到了证明。他在语音学和音系学方面的研究，尤其是声调方面的研究，具有开创性的贡献。

王士元于1967年提出的谱系树理论中的画树方法，将历史语言学与人类遗传学和考古文化学紧密地结合起来，从多角度对语言和人类的关系、人群迁徙与语言接触的关系进行了深入探索。

2019年，王士元协助成立香港理工大学语言、认知与神经科学研究中心，旨在运用心理及脑成像技术来检查大脑中与语言相关的问题。王士元曾帮助创建中国台湾“中央研究院”语言学研究所。

截至2017年6月，王士元在《Nature》《American Scientist》《Proceedings of the National Academy of Sciences》《Scientific American》等国际期刊上发表学术论文多篇。

2011年，王士元的著作《语言、演化与大脑》由商务印书馆出版，系统全面地讲述了语言与大脑和演化的相关研究。

王士元在俄亥俄州立大学创立了语言学系和东亚语言系。

王士元于1979年夏天赴北京大学中文系讲授实验语音学。截至2018年5月，共讲授11讲。

王士元的爱好甚多，以往他会驾驶帆船和小型飞机，在香港则经常打高尔夫球和网球。在大学时代，他曾写过一部关于中国牛郎织女传奇的短篇戏剧；他也热爱中西音乐，甚至创作过几首歌曲。

王士元教授为北京大学语言学学科发展作出了很大的贡献。（北京大学国际合作部评）

王士元学贯中西，研究兴趣广泛，在语言工程、演化语言学、计算语言学、实验语音学、认识和神经语言学等领域都卓有建树。（华侨大学新闻中心评）

王士元教授是世界著名语言学家，他在语言理论、语言工程、演化语言学等领域做出许多世界一流的杰出贡献。他的研究工作长期引领着语言学多个领域的发展方向，为中国语言学和世界语言学做出了具有里程碑意义的学术贡献，在国际学术界享有崇高的声誉。（2023年澳门大学荣誉博士学位颁授赞辞）

王士元教授为享誉国际的语言学家，学术成就不论以何种标准量度，皆卓越出众。王教授无论在研究、发展学术理论及创立研究机构等方面，均影响非凡。（香港理工大学评）

王士元先生是对国际语言学界贡献最大的华裔语言学家。（华东师范大学中国语言文学系评）

王士元在语音学、音系学和演化语言学等方面开创性和先驱性的贡献，广受学界接受和盛赞。王教授多年来积极提倡，大力推动结合脑科学、数学、基因科学和考古学等跨学科的合作研究，引领着语言学的发展方向，培养了一大批语言学人才，为中国语言学和世界语言学做出了不可磨灭的具有里程碑意义的学术贡献，在国际学术界享有崇高的声誉。（澳门大学人文学院语言学研究中心评）