陈衡哲是中国第一位女西洋史学家，近代中国第一位女硕士，撰写了中国近代第一部白话文世界史著作《西洋史》，是当时唯一一位为中学生编写历史教科书的女性作者。她还是北京大学乃至近代中国高校第一位女教授，新文学运动中的第一位女作家，堪称一代才女。
1920年，陈衡哲回国，任北京大学历史系教授。同年，30岁的陈衡哲与34岁的任鸿隽（字叔永）结婚。胡适书赠婚联：“无后为大，著书最佳。”祝他们早生贵子、精于著述。胡适的新诗《我们三个朋友——赠任叔永与陈莎菲（指陈衡哲）》曾风靡一时。
陈衡哲在北京大学历史系讲授西洋史，具有开创意义，成为第一位讲授西洋史的教师。陈衡哲在到北京大学后的一次演讲中说：“我因此知道现在中国的学界对于西洋历史和研究历史的方法有一种十分诚切的要求……但是我看现在中国学界的要求倒是纯粹的历史学，这种的要求极大，供给极小，差不多没有。”
早在美国留学期间，陈衡哲就对教师在教学过程中的启发引导和与学生互动印象深刻，她将这种教学方法引入北大世界史教学，鼓励学生自己寻找和研究史料，至今仍有借鉴价值。从治史理念来说，她的西洋史中也包括中国，一方面从中国的角度认识世界，另一方面又以世界史来启发中国的发展之路，这些都为当今中国世界史研究提供了启示。
陈衡哲在多所全国知名高校教授世界史，起到了开风气之先的作用。在五四运动的影响下，使用白话文已成为学校教科书编写的一个趋势。但在实际中，用文言文或者半文半白编写出版的历史教科书依然盛行，影响了学生对历史教材的阅读兴趣。民国时期世界史史料是极其匮乏，世界史教材的编写也是“编”大于“写”，大量史料甚至观点都来自西方，“欧洲中心论”“种族优越论”等观点充斥其中。陈衡哲决心自己动手撰写世界史教材。
1925年至1930年，商务印书馆先后出版了陈衡哲撰写的《西洋史》（上下册）《文艺复兴小史》《欧洲文艺复兴史》等著作，在世界史研究领域起了开创性作用。陈衡哲写的教材可读性非常强，同样一段历史，由她讲述起来就饶有趣味。用她自己的话说，《西洋史》上册是“闲谈隔村张三李四家太上老祖的掌故”，下册是“讲本村长辈的事业和人品”。读者在阅读时有时甚至会怀疑自己读的不是历史著作而是文学作品。《西洋史》在当时流传非常广，三年之内印刷了六版，到1949年印刷了九版。胡适称赞说：“这部书可以说是中国治西史的学者给中国读者精心著述的第一部《西洋史》。在这一方面说，此书也是一部开山的作品。”
陈衡哲所著《西洋史》，充分吸纳了美国鲁滨逊新史学的理论与方法，主张扩大研究范围，将政治、工业、农业、文学、美术、科学、哲学等纳入研究领域，以全面了解历史发生的原因和结果。陈衡哲注意运用辩证观点分析历史。她在评价古埃及帝国建立的作用时，指出：“武力是帝国的重要分子，所以帝国的建立是一件反文化的事，但他的结果，却常常能得到些意外的进步。”她能实事求是地评价拿破仑的功过，认为法国大革命的精神跟着拿破仑的马蹄走遍了欧洲的大半，但这只可以说是他的穷兵黩武的副产品，不是他的目的。
陈衡哲的历史写作还深受历史唯物主义的影响。她在1924年与胡适就马克思主义唯物史观进行讨论时说：“你说我反对唯物史观，这是不然的；你看我那本《西洋史》，便可以明白我也是深受这个史观的影响的一个人。但我确不承认历史的解释是unitary（一元的）；我承认唯物史观为解释历史的良好工具之一，但不是他的唯一工具。”由于马克思主义的传播，陈衡哲接受了唯物史观的影响，另一方面也主张用多元的观点来解释历史。
在《西洋史》一书中，陈衡哲强调历史的实用价值，历史学家要“培养读者分析现代社会上各种现象的能力”。在1920年代，她主张用历史学的工具去“揭穿武人政客的黑幕，揭穿他们愚弄人民的黑幕”，以“避免战争”。在国际方面，希望历史学“能帮助青年们，去发达他们的国际观念。稗人类误解的机会，可以减少，人类的谅解和同情，也可以日增一日”。
摒弃“欧洲中心论”的错误观点、重视古代东方历史，是陈衡哲《西洋史》另一重要倾向。陈衡哲重视论述古代东方国家历史上的贡献。如阐明古代埃及文明的重大成就（文字、纸笔、历法、玻璃、测量术和建筑术），在讲述两河流域历史时也具体说明苏美尔人在文化的重大成就。而在谈到希腊文化时，她强调其接受了古代东方的遗产，指出与其说是希腊文化传布于东方，不如说是希腊文化与东方文化在互相发生影响。
陈衡哲生前曾有写作《西洋文明史》《欧亚交通史》及《白种人势力扩张史》等具有中国特色的史著的计划，后来因健康等原因，未能实现，成为遗憾。
清末，维新派代表梁启超等力倡“小说界革命”，却少有成功的实践。在美期间，陈衡哲一方面积极支持胡适的文学革命，同时又以自己的白话文创作实绩为新文学运动呐喊。1917年，陈衡哲在胡适编辑的《留美学生季报》发表了处女作《一日》，初具现代小说雏形，成为用现代白话创作短篇小说的最早尝试。胡适在陈衡哲短篇集《小雨点·序》中写道：“当我们还在讨论文学的时候，莎菲（指陈衡哲）却已开始用白话做文章了。《一日》便是文学革命讨论初期的最早作品。”司马长风在其《中国新文学史》中写道：“当文学革命蓬勃兴起的时候，首先响应拿起笔写小说的作家最先是鲁迅，第二个就是陈衡哲。她实是新文学运动第一个女作家。”
20世纪二三十年代，陈衡哲写下近百万字散文，1938年在开明出版社出版了《衡哲散文集》。抗战以后大都散失，未曾成集。陈衡哲的作品写知识分子妇女的爱情与事业、爱情与义务的矛盾，写世间的亲情和温暖，也反映现实的黑暗、痛苦，赞扬不屈的奋斗精神。司马长风的《中国新文学史》说她的散文“善于写景物，也善于谈人论事，议论风发，其活泼幽默可与较后的两大散文家梁实秋、钱钟书竞耀”。
陈衡哲是一位西洋史学家，文学只是副产品，但是她的小说和散文，还是像“随风潜入夜，润物细无声”的春雨，滋润过新文学的幼苗。王平陵在《三十年文坛话沧桑录》中说：“陈衡哲女士在这个如火如荼的新旧文学论争中，至少发生过助燃作用。”
陈衡哲的《西洋史》向我们展示了中国近代史上的优秀女性在面对西方文明时所作的回应，也为书写西洋历史确立了典范。她的西洋史思想和治学方法，对我们今天仍具有一定的指导意义。她在西洋史研究领域的贡献更是不应该被遗忘的。正如著名世界史专家、北大原副校长何芳川所说的：“回想起何炳松、陈衡哲……诸前在那风雨如晦的岁月里的辛勤劳作与蓝缕之功，一种油然而生的景仰、崇敬的感情会立时涨满脑海、涌满心田。”