吕思勉注重排比史料，分类札记，长于综合研究和融会贯通，坚持不懈地涉猎古文献，又广泛阅读新出报刊和从西方引进的新文化、新思想和研究方法。他著述宏富，主要有：《白话本国史》、《吕著中国通史》、《先秦史》、《秦汉史》、《两晋南北朝史》、《隋唐五代史》、《历史研究法》、《史学四种》、《中国民族史》、《经子解题》、《先秦学术概论》、《理学纲要》、《宋代文学》、《中国制度史》、《文字学四种》、《吕思勉读史札记》等。其中《白话本国史》强调中国是多民族国家，按照历史顺序，分别叙述每个王朝与周围少数民族的关系，为通史写作开辟了新路。
《吕著中国通史》上册分门别类、系统论述社会经济、政治制度和文化学术的发展情况；下册分章按历史顺序叙述政治历史变革，其中婚姻、族制、阶级、财产、衣食住行等题，都是过去史书缺乏系统记载的。他所著先秦、秦汉、两晋南北朝、隋唐五代四部断代史，共三百余万字。每书分前后两部分，前半部是政治史，包括王朝兴亡盛衰、各种重大历史事件的前因后果、政治设施的成败得失，以及与少数民族的关系等，采用新的纪事本末体；后半部是社会经济、文化史，分社会经济、政治制度、民族疆域、文化学术等方面的发展情况，采用新的叙述典章制度的体例。这四部书对先秦到隋唐五代的历史研究有疏导开拓之功。其他涉及民族史、思想史、文化史、制度史，以及史学方法方面的著作，也各具有特色。
吕思勉对经学、文字学、文学亦有独到见解。他治学严肃，作风踏实，为人诚朴，谦虚谨慎。晚年想通读《道藏》，研究道教思想，为后人开辟途径，惜未如愿，于1957年10月9日逝世于上海。
他的全部著作，包括各种断代史、通史、专史等，已汇编成《吕思勉史学论著》。另有《诚之诗稿》传世。