Tanulmányait 1895-tól az Eötvös Kollégium tagjaként a budapesti Tudományegyetem magyar-francia szakán végezte. Nagy hatást gyakorolt rá Szinnyei József, a finnugor nyelvészet tanára, Simonyi Zsigmond, a modern magyar nyelvészet megalapítója, aki magyar nyelvészetet oktatott, valamint Becker Fülöp Ágost, a századforduló egyik legnagyobb romanistája. Egyetemi évei alatt már számos tanulmánya, ismertetése, népszerűsítő cikke jelent meg.
1899-ben Párizsban Russelot-nál a kísérleti fonetika módszereit tanulmányozta. 1903-1904-ben Lipcsében, Párizsban, Finnországban és Svédországban végzett fonetikai kutatásokat. 1900-ban bölcsészdoktorrá avatták, s ugyanebben az évben főiskolai állást kapott: a francia nyelv tanára lett az Eötvös Kollégiumban. 1914-tól a kolozsvári egyetemen az urál-altáji összehasonlító nyelvészet, 1921-tól a budapesti egyetemen a magyar nyelvészet tanára volt. 1927-tól az Eötvös Kollégium igazgatója, 1933-tól a Magyar Tudományos Akadémia I. Osztályának elnöke.
1905-ben jelent meg Az altáji nyelvek hangtörténetéhez c. munkája a Nyelvtudományi Közleményekben. Ez volt az első nagy dolgozat Magyarországon, amely szakított az urál-altáji nyelvrokonság hagyományával és módszeres török-mongol-tunguz hasonlításaival egy új korszakot nyitott, az altáji nyelvhasonlítás korát.
1907-ben jelent meg Régi török jövevényszavaink c. műve, mely alapos átdolgozás után 1912-ben német nyelven is kiadásra került Die bulgarisch-türkischen Lehnwörter in der ungarischen Sprache címen. Ez a munka igen nagy hatással volt a későbbi magyar nyelvtörténeti és török nyelvészeti kutatás számára. 1914-1934 között Melich Jánossal együtt szerkesztette a töredékben maradt Magyar etimológiai szótárt, ezt a világviszonylatban is kiváló és akadémiai nagyjutalommal díjazott munkát.
Az 1918-ban írt A magyar őshaza és a nemzeti hagyomány c. munka a magyar őstörténeti irodalom egyik fontos darabja. Ebben összefoglalta és kritikusan elemezte az őshazára vonatkozó nemzeti hagyományaink történeti értékkel bíró adatait.
Gombocz alapjában véve magyar nyelvész volt. Elsősorban a magyar szótannal foglalkozott, de fontos hangtani, alaktani, mondattani és jelentéstani műveket is írt. Egyetemi előadásai jegyzet formájában is megjelentek.
Műveinek bibliográfiája:
Zsirai Miklós, Gombocz Zoltán irodalmi munkássága: Nyelvtudományi Közlemények 49(1935) pp. XVII-XXIII.
Irodalom:
Gombocz Zoltán emlékezete. Beszédek és megemlékezések. Bp., 1935.
Balassa József, Gombocz Zoltán: Magyar Nyelvőr 64(1935) p. 73.
Zsirai Miklós, Gombocz Zoltán: NyK 49(1935) pp. V-XVI.
Melich János, Gombocz Zoltán emlékezete: MNy 32(1936) pp. 65-86.
Úrhegyi Emília, Gombocz Zoltán egyetemi előadásainak jegyzéke:
MNy 32(1936) pp. 87-90.
Sauvageot, A., Zoltán Gombocz: Revue des Études Hongroises
17(1939).
Eckhardt Sándor, Egy nagy tudós halálára. Magyar Szemle 24:2 pp.
182-184.
Kovalovszky Miklós, Gombocz Zoltán. /Magyar Nyelvtudományi
Társaság Kiadványai/ Bp., 1955.
Németh Gyula, Gombocz Zoltán. /A múlt magyar tudósai/ Bp., 1972.
Németh Gyula, Zoltán Gombocz. Ein ungarische Sprachforscher
(1877-1935): Acta Linguistica 22(1972) pp. 1-40.
Lőrincze Lajos, Beszéd Gombocz Zoltán emléktáblájának leleplezésekor:
MNy 73(1977):4 pp. 385-386.
Sőtér István, Gombocz Zoltán: MNy 73(1977):4 pp. 387-389.
Harmatta János, Megemlékezés Gombocz Zoltánról: MNy 73(1977):4 pp.
392-395.
Ligeti Lajos, Gombocz Zoltán mint turkológus: MNy 73(1977):4 pp.
395-401.
Benkő Loránd, Gombocz Zoltán szerepe a magyar történeti nyelvészetben:
MNy 73(1977):4 pp. 402-409.
Tompa József, Gombocz Zoltán a tanítvány szemével: MNy 73(1977):4
pp. 409-414.
Balázs János, Gombocz Zoltán és a korabeli általános nyelvészet: MNy
73(1977):4 pp. 414-421.
Tóth Gábor, Gombocz Zoltán és az Eötvös Collegium: MNy 73(1977):4
pp. 421-425.
Nyíri Antal, Gombocz Zoltán emlékezete: MNy 73(1977):4 pp.
425-426.
Kálmán Béla, Üdvözlő beszéd a Gombocz-emlékünnepségen: MNy
73(1977):4 pp. 426-427.
Lakó György, Gombocz Zoltán finnugor nyelvészeti és őstörténeti munkássága:
MNy 73(1977):4 pp. 427-434.
Szathmári István, Gombocz Zoltán és a stilisztika: MNy 73(1977):4
pp. 435-443.
Rácz Endre, Gombocz Zoltán magyar grammatikai munkássága: MNy
73(1977):4 pp. 444-458.
Károly Sándor, Gombocz Zoltán és Jelentéstana: MNy 73(1977):4 pp.
459-468.
Molnár József, Gombocz Zoltán, a magyar kísérleti fonetika úttörője:
MNy 73(1977):4 pp. 468-474., 6 t.
Winkler Zsuzsanna, Gombocz Zoltán diákévei: MNy 73(1977):4 pp.
475-480.