1921年，考入清华大学读医预科，1924年，以优异成绩考取公费留美，同年秋进入密歇根大学医学系。
由于在医学系攻读德文及拉丁文，引发了他研究语言学的浓厚兴趣，于是改进语言学系，插班三年级，1926年毕业，获语言学士学位。随即进入芝加哥大学语言学研究所，师从语言学大师爱德华•萨皮尔，学的都是美州印第安语言，并在其指导下完成硕士与博士论文，李方桂进芝大一年后取得硕士学位，第二年即1928年又获得语言学博士学位。3年连获3个学位，在学术界引起轰动，被认为是前无古人的。芝加哥大学毕业后，他的指导教授萨皮尔安排了一份优厚的奖学金，送他到哈佛大学研究半年。
1929年，李方桂回国，立即被中央研究院院长蔡元培聘为历史语言研究所研究员，在之后的8年间，李方桂从事汉语音韵学、汉语方言学、苗瑶语、台语及古藏语的研究，。
1937年，李方桂应美国耶鲁大学之聘任访问教授2年，1939年回国。此后五六年间，他陆续调查研究非汉语（指中国境内汉语以外的语言）。
1944年～1946年，他同时任成都大学和燕京大学的访问教授，其间还代表中国参加在印度举行的第九届国际东方学会议。1946年秋，李方桂应哈佛大学之聘任中国语言学访问教授2年，1948年又在耶鲁大学访问任教1年。是年他当选为中央研究院第一届院士。1949年转往西雅图华盛顿大学任教。1950年当选为美国语言学会副会长。1952年后一直是《美国语言学国际杂志》的副主编。1969年李方桂从华盛顿大学第一次退休。台湾的《中央研究院历史语言研究所集刊》，美国的《美国语言学国际杂志》和欧洲的《华裔学志》均出专集为他祝寿。同年秋，夏威夷大学语言学系礼聘他任教，直至1972年第二次退休。其后普林斯顿大学及夏威夷大学又争聘他为名誉教授，密歇根大学与香港中文大学先后赠送他荣誉博士学位。1973年又被聘为《中国语言学报》副主编，而后他一直在夏威夷大学工作。
李方桂的学术成就主要在印第安语言的研究、侗台（壮侗）语族语言的研究以及汉语和藏语的研究。他治学严谨，学问博大精深，著作等身，弟子成群。他在国内外享有盛名的学术刊物上发表语言学论著80多种，其中包括专书7种及论文70多篇，都是不可或缺的语言学文献，有的已成为经典著作。他还对其他语言包括英、德、法等现代欧洲语言以及古代拉丁文、希腊文、梵文、
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