虽然在中国现代文学史上，陈衡哲享有的地位甚至比她在史学研究上的地位要高，而且对于她自己来说，喜欢的和更为擅长的也是文学，但陈衡哲的本行还是史学。陈衡哲在美国留学的专业就是西洋史。回国以后，她先后在北京大学、东南大学、北京女子师范大学等校担任教授，开课也是西洋史。不难看出她的职业应当是历史学家。尽管她从事史学教学与研究的时间并不长，著述也不多，但价值不容忽视。北京大学校长蔡元培聘她为历史系教授之后，她讲的中国古、近代史有声有色，讲出了民族精神，激起了学生们的爱国热情，深受学生们欢迎。1920年秋，她在北大的开学演说中表示，自己努力的方向在于帮助学生发展个人的天才，引发学生对历史的兴趣，不愿将学生当作没有能动力的机器或留声机。她还说：“我是最反对注入式教育的一个人。在史学界中，这个方法尤为无益有害。所以我曾特别注意学生的自己搜求材料，作为辅助或是证明我的演讲之用。但这个努力的结果，不过使我感到中文参考书籍的缺乏。于是我便决意辞去教职，专门编书。我的入手的方法，是先用独力编一部《西洋史大纲》，作为基础；然后再借教书及自己研究的机会，去续编以下的几种书——有的独立可成，有的非合作不行——《西洋文明史》，《西洋近代史》，《亚欧交通史》，及《白种人势力扩张史》。”（《西洋史·原序》）
她的史学研究主要集中在1920年代，而成就主要是1925—1930年间商务印书馆先后出版的《西洋史》（上下册）、《文艺复兴小史》、《欧洲文艺复兴史》等。
1924年前后，陈衡哲应商务印书馆之邀，编写了高级中学教科书《西洋史》（上下册），这是她“独力编一部《西洋史大纲》”愿望的实现。陈衡哲是最早以个人对西洋历史的见解及史识著书立说的学者，她以清新的笔调将复杂交错的西方历史交代得清清楚楚，而且有自己独到的见解，三年之内，印至六版，成为风行一时的名作，也奠定了她作为史学家的地位。《西洋史》共两册，分别初版于1924年和1926年，全书共十万余字。上册讲述从地球生物起源到但丁之死的上古史和中古史，下册讲述1321年到一战前夕的近世史，也涉及到战后的一些史实。这本书的一大特点是重点在于叙述西洋文明的历史，上古和中古部分尤为明显。几乎每一章末都有对本时期思想学术、语言文艺、科学的回顾，加重了文化的比重。她认为历史发展的轨迹，不是政治，而是文化。作者说：“我们深信，历史不是片面的，乃是全体的。选择历史材料的标准，不单是政治，也不单是经济或宗教，乃是政治、经济、宗教，以及凡百人类活动的总和。换一句话说，我们当把文化作为历史的骨髓。凡是助进文化，或是妨害文化的重大事迹和势力，都有历史的价值。这是这本历史取材的标准。”陈衡哲著史具有明确的目的性：“我们所要研究的，不是某某皇帝的家谱，也不是武人政客的行述，乃是我们人类何以能从一个吃肉的两足动物，变为一个代表现代文明的人。因为我们要研究这个人，所以不能不研究他的思想行为，和与他有关系的重要事物；所以不能不研究政治、工业、农业、文学、美术、科学、哲学，以及凡曾帮助他，或阻止他向前走的种种势力。我们不但要研究这些势力，并且还要了解他们的原因和效果，这便是我们研究历史的目的。现在我们研究的范围，虽然只以西洋各国为限，但无论哪一部分人的历史，都具有普通和特别的两个性质。特别的性质，是某种人，某国人，所专有的；普通的性质，是人类所共有的。所以我们研究了人类的一部分的历史，不但可以了解那一部分的人类，并且可以了解自己的一部分。”（《西洋史·导言》）“本书所注重的，一为说明各种史迹的背景，一为史迹的因果，及彼此的相互影响，以求培养读者分析现代社会上各种现象的能力。”（《西洋史·例言》）
因此她在写史当中有意加入自己的议论，并明显地用小字表示出来。陈衡哲自身的社会经历、学识、政治及社会主张以及女性身份等诸多因素，使这部《西洋史》在民国历史教科书发展史上有着鲜明特色。所阐发之言论，不仅引人深思，而且对我们还有一定的启发和借鉴意义。具体而言，首先陈衡哲是民国时期出版的全部历史教科书中，唯一的一个从女性的角度、女性的立场去论述历史进程的人。这种历史教科书在材料取舍和分析论证上的“女性”视角，反映了陈衡哲史学研究中独特的价值导向和历史解释。这种价值导向表现在，主张关注女性的历史，关注女性在历史发展中的地位和作用，以及基于此主张全面地重新解释历史。虽然陈衡哲视文艺复兴造就的一批女学者为近代女子解放的先驱，就工业革命对于妇女问题的积极影响也表现出了过于乐观的态度，但她分析问题的视角却是相当独特的。她在教科书中这样写道：“人民常有把女子参政运动视为女子运动的唯一事业者，这是一个大错误。女子参政固是妇女运动的一件事，但他绝不足代表妇女运动的全部。这个理由很是简单的，因为，第一，政治上的活动，不过是人生活动的一部分，他不但不能代表人生的一切活动，并且不是人生活动的中心点。其二，参政权的争得……仍不过是一件比较肤浅的事。妇女们如欲与男子们争到真正的平等，根本上尚以自己的智识的解放，能力的修养，及人格的提高为最重要……所以热心此妇女运动者的最大责任，即是去帮助我们的青年姊妹，使她们能发挥她们个人的天才于最适当的道途，至于参政运动，却不过是这些道途中一罢了。”（《西洋史》，第301页）另外就是贯穿始终的反战思想。她看到文艺复兴时期罗马文化的复活孕育出近代欧洲文化，“由此可知，武力的胜利在一时，文化的胜利在永久”。（《西洋史》，第57页）全书最后一章结论部分预测“新帝国主义”与国际主义的竞争是战争与和平的竞争，其结果将关系到现代文化的生死。
胡适评价说：“陈衡哲女士的西洋史是一部带有野心的著作。在史料的方面，她不能不倚赖西洋史学的供给。但在叙述与解释的方面，她确然做了一番精心结构的工夫。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一部西洋史。在这一方面说，此书也是一部开山的作品。”（《介绍几部新出的史学书》）何兆武的评语是：“内容浅显、文笔清通、叙事清楚，在当时是一部优秀的教科书。”（《陈衡哲谈妇女缠足》，《读书》2000年第1期）20世纪40年代初，西南联大师范学院由蔡维藩负责搜集民国以来的西洋史或外国史教科书，进行比较研究，结论是陈衡哲的《西洋史》最好，是消化后的作品。1998年《西洋史》再版，傅杰在“本书说明”中说：“时间过去了七十余年，这部出自这样一位独特人物的有着独特风格的书，无疑仍然是值得我们重温的——尽管同样无疑的是它已不可能完全适合我们今天的需要。”（《西洋史·本书说明》）
陈衡哲对文艺复兴运动的历史有特殊兴趣。1925年她出版了《文艺复兴小史》，几年后修订出版《欧洲文艺复兴小史》。两书是中国学者较早的文艺复兴史著作。陈衡哲自称《文艺复兴小史》这本小书负有两重使命：“其一，是去补充我的西洋史的不及；其二，乃是去求引起一般普通人士对于这种史迹的兴趣。”（《文艺复兴小史·序》）她对文艺复兴史的兴趣可能与她和她的朋友们曾经把五四新文化运动比作中国的文艺复兴有关。胡适喜欢把五四运动比拟为文艺复兴，因为他视文艺复兴为西方现代性的真正肇端。五四运动和文艺复兴的共同之处在于：发生在半中世纪式的经济和社会状况之下，以语言问题为改革重点，个人从传统思想习俗和制度下解放出来的需求等。从形势和精神气质看，五四运动也与文艺复兴相同，都致力于人的解放，高扬人的价值，以文明的再生为目标。陈衡哲把文艺复兴视为现代文化的起源，把它解释为人的发现、语言文学的变革、科学的进步等。这显然与他们这一代对新文化运动的判断十分相似。陈衡哲认为文艺复兴的意义有两个：一是复生，即古文艺和人生观的复活；一是新生，即欧洲近世文化的诞生。恢复古文化是创造新文化的一条近路，文艺复兴对人类精神的影响之一是它对中古人生观的反动及上古人生观的复活。“希腊人生观的要素：一为入世观念，二为审美与和谐观念，三为市民观念，四为科学精神。”（《文艺复兴小史》，第49页）文艺复兴的原因在于个性的复活，即人的发现。“文艺复兴是欧洲文化的一个大转枢，也是近代文化的一个总渊泉。”（《文艺复兴小史》，第1页）她把文艺复兴的含义扩大到一切文化、一切人类活动的新生，其后的宗教改革、地理大发现、西欧国家的兴起、法国革命、英国工业革命等都是文艺复兴的产物。有研究者说：“陈衡哲的《文艺复兴小史》只有六十页，但在许多具体问题上有自己的见解……直至今天，不少同类书籍都未能脱离其藩篱。”（《历史学百年》，第275页）
陈衡哲认为历史应当不哭不笑，而是理解和同情。历史的范围很广，但是不能把所有人类在空间里和时间里的一切思想事业都当作历史看待，历史学家要从中整理出一个历史，整理的方法是根据于历史观念。作为历史学家，陈衡哲的治史态度是严谨和认真的。她十分注重史实的真确性、客观性以及历史家应有的批判精神，强调研究历史必须以公平的眼光和敏锐的观察，去寻求历史上的真实事迹。她又很重视历史的借鉴价值。作为一名早期在欧美接受过现代史学正规训练的留学生，在西洋史研究方面有着专业造诣的学者，陈衡哲在中国的西方史学和世界史研究中起了一定作用。