刘半农留学的目的十分明确，就是要拿到博士学位，但这并不妨碍他在学业上的刻苦努力。他的兴趣也很广泛，且在很多方面都有天赋，但最感兴趣的是语言学。
他有学习语言的天赋——精细的耳朵，对声音的敏感，也有积累——他在北大曾讲授音韵学、文字学。到英国之后，他泡在伦敦大学语音室里，刻苦努力。一年后又到法国巴黎大学、法兰西学院从事研究，借助先进的实验条件和研究方法，很快就进入佳境，开始撰写汉语四声方面的著作。
傅斯年对刘半农的研究表示了很大兴趣和有力支持，并且贡献了不少意见。
本来，傅斯年对于语言学就有很多思考，他后来从事史学研究，成立学术机构，论是中山大学语言历史研究所还是中央研究院历史语言研究所，都把历史和语言绑在一起，在很大程度上缘于他对语言学的兴趣和见解。
对此，刘半农感受很深，他常和傅斯年讨论他的研究课题，有进展收获就说给傅斯年听，请傅斯年分享和评论，有困惑疑难找傅斯年讨论解决。
在好朋友面前，傅斯年不客气，不藏掖，十分坦率地把自己的意见说出来。有些意见给刘半农以启迪，启发了他的思考，助他进入一个新的境域。有些见解与刘半农的研究思路相左，于是他们便辩论、争吵。
傅斯年和刘半农都是直性子，都是性情中人，信口直言，毫隐饰，情感丰富，易于冲动，缺乏自我控制能力，傅斯年在这方面更为突出。
有时争得太激烈，两个人都想说服对方，又都说服不了对方，暴躁起来的傅斯年，常常挥拳动粗。
刘半农虽是江南才子，但性格上更有北方人的豪爽。鲁迅曾说他“活泼，有时颇近于草率，勇敢也有失之谋的地方”。
当傅斯年的拳头打过来后，刘半农也挥拳相迎，于是从语音比高低演变成比谁的拳头硬。只是，打过之后，谁也不计较对方，很快就和好如初，更加珍惜相处的情谊。
刘半农去世后，傅斯年曾深情地回忆他们同学共读的经历，具体情形虽细述不多，但打架的事却特别提及。很明显，这打架给他留下的不是交恶，而是美好的回忆。
刘半农留学期间著有《四声实验录，完成于一九二三年，此时他已经在法国巴黎大学读书，研究。他特意跑到伦敦，请傅斯年给他作序。
按照傅斯年的说法，刘半农的著作是专门名家的书，请他这个外行人作序，有些不妥。而且他年龄比刘半农小，资历比刘半农浅，一再推辞。
刘半农却不以为然，一再坚持，常常催促。因为他们常在一起交流，刘知道傅斯年既不像他说的外行，也曾经贡献过许多宝贵的意见，只有他清楚著作的成书情况及其意义。
傅斯年推辞不过，只得依从。他集中精力写了一篇较长的序文，洋洋洒洒，将刘著的特色、价值、贡献、研究方法、学术地位等给予全面评价。
他写道:刘先生是位以言语学专门的人，于左文右史的忙劳中，抓定语音学，于语音学中，急于见鼓上出图的符验；这样的择路何等扼要，这样的选术何等迫切；但刘先生仍不舍推测故训的大本营；这样对付的法子，恰合这件学问在现在所处的地位和性质。
他结合自己所了解到的情况评价刘半农研究的途径，所下的工夫，说“以我所见，此时在国外的人，囫囵去接一种科学的多，分来去弄单个问题的少。这样情形，不特于自己的造诣上不便，就是以这法子去读书，也收效少的。”
“半农先生去中国后第一种贡献不是个泛论，不是个汇编，而是一个问题的搜求，他作学问的路走得何等明白。”
谈到《四声实验录的价值，傅斯年说，四声是汉语中的普遍现象，也是汉语研究中的一个大问题，刘半农就这大问题进行实验、研究，其意义是不言自明的；而刘却说“这是个局于一方的小问题”，这种“太自逊的态度”是值得称道的。
他说刘半农用新的研究工具和方法，开拓了一个新的研究领域。这部著作算是“开宗明义第一章”，自然有许多“引人惊异”的地方。他说他相信，“这问题是极提醒人的问题，这方法是极刺激人的方法”，他开了这个问题研究的“端源”，今后将会有更多的人从事这种实验和研究。
刘半农没找人，傅斯年所做的是非常内行的评价。
民国十年（1921年）刘半农转入法国巴黎大学，并在法兰西学院听讲，攻实验语音学。
民国十四年（1925年）刘半农获法国国家文学博士学位，成为第一个获得以外国国家名义授予的最高学衔的中国人。同年秋，刘半农任北京大学国文系教授，兼任北大研究所国学门导师，建立了语音乐律实验室，成为中国实验语音学奠基人。
民国二十三年（1934年）六月，刘半农为完成《四声新谱《方音字典和《中国方言地图的编写，冒着酷暑沿平绥铁路深入绥远、内蒙一带考察方言方音，不幸染上“回归热”病，七月十四日在北平逝世，年仅四十四岁。