呂思勉注重排比史料，分類札記，長於綜合研究和融會貫通，堅持不懈地涉獵古文獻，又廣泛閱讀新出報刊和從西方引進的新文化、新思想和研究方法。他著述宏富，主要有：《白話本國史》、《呂著中國通史》、《先秦史》、《秦漢史》、《兩晉南北朝史》、《隋唐五代史》、《歷史研究法》、《史學四種》、《中國民族史》、《經子解題》、《先秦學術概論》、《理學綱要》、《宋代文學》、《中國製度史》、《文字學四種》、《呂思勉讀史札記》等。其中《白話本國史》強調中國是多民族國家，按照歷史順序，分別敘述每個王朝與周圍少數民族的關係，爲通史寫作開闢了新路。
《呂著中國通史》上冊分門別類、系統論述社會經濟、政治制度和文化學術的發展情況；下冊分章按歷史順序敘述政治歷史變革，其中婚姻、族制、階級、財產、衣食住行等題，都是過去史書缺乏系統記載的。他所著先秦、秦漢、兩晉南北朝、隋唐五代四部斷代史，共三百餘萬字。每書分前後兩部分，前半部是政治史，包括王朝興亡盛衰、各種重大歷史事件的前因後果、政治設施的成敗得失，以及與少數民族的關係等，採用新的紀事本末體；後半部是社會經濟、文化史，分社會經濟、政治制度、民族疆域、文化學術等方面的發展情況，採用新的敘述典章制度的體例。這四部書對先秦到隋唐五代的歷史研究有疏導開拓之功。其他涉及民族史、思想史、文化史、制度史，以及史學方法方面的著作，也各具有特色。
呂思勉對經學、文字學、文學亦有獨到見解。他治學嚴肅，作風踏實，爲人誠樸，謙虛謹慎。晚年想通讀《道藏》，研究道教思想，爲後人開闢途徑，惜未如願，於1957年10月9日逝世於上海。
他的全部著作，包括各種斷代史、通史、專史等，已彙編成《呂思勉史學論著》。另有《誠之詩稿》傳世。