Badał związki historii językoznawstwa z historią innych nauk humanistycznych; interesowało go również pokrewieństwo historyczne języków słowiańskich. Określił podstawowe metody badawcze w dialektologii. Sformułował zasady wydawania słowników. Był redaktorem naczelnym Słownika języka polskiego (11 tomów, Państwowe Wydawnictwo Wiedza Powszechna, Państwowe Wydawnictwo Naukowe 1958-69; reprint, PWN 1996-97) zawierającego ok. 130 000 haseł napisanych na podstawie 5 milionów cytatów z 3 tysięcy utworów literackich, prac naukowych, artykułów prasowych i innych źródeł.thumb|Grób Witolda Doroszewskiego na Starych Powązkach, 2015)W jego dorobku jest około 800 publikacji naukowych. Współpracował z wieloma czasopismami, m.in. „Journal de Psychologie Normale et Pathologique”, „Biuletynem Polskiego Towarzystwa Językoznawczego”, „Pracami Językoznawczymi”, „Studiami Warmińsko-Mazurskimi”, „Pracami Filologicznymi”, „Poradnikiem Językowym”;