W 1910 roku wyjechał do Stanów Zjednoczonych w ramach stypendium, aby studiować na Cornell University. W 1914 roku uzyskał tamże stopień bakałarza matematyki oraz magistra filozofii. Następnie studiował na Harvard University, otrzymując w 1918 roku stopień naukowy doktora filozofii. Zhao był także osobistym tłumaczem Bertranda Russella podczas jego wizyty w Chinach 1920 roku. Zhao wykładał w tym czasie chwilowo na Uniwersytecie Tsinghua w Pekinie. W 1921 roku Zhao wyjechał z powrotem do USA, aby nauczać na Harvard University. W 1925 roku ponownie wrócił do Chin, aby wykładać na Uniwersytecie Tsinghua. W 1938 roku Zhao wyjechał na stałe do USA. W 1945 roku objął funkcję prezydenta stowarzyszenia Linguistic Society of America. W 1954 roku przyjął obywatelstwo amerykańskie. W latach 1947–1960 wykładał na University of California w Berkeley. W 1973 roku na zaproszenie rządu chińskiego pojechał do Pekinu, gdzie spotkał się m.in. z ówczesnym premierem Zhou Enlaiem. Ponownie do Chin wyjechał raz jeszcze w 1981 roku, przebywając tam na przełomie maja i czerwca.
Działalność naukowa Zhao Yuanren opracował transkrypcję języka mandaryńskiego Gwoyeu Romatzyh, a także pięciostopniową skalę do oznaczania wysokości tonów w językach świata.