王先謙學術成就最大的方面是史學。他治史的方法大體遵循乾嘉學風，注重校勘。其仿經疏體例註釋舊史的代表作是《漢書補注》。該書旁採諸家之說，經多年窮究，使疑難不解之處得以通曉，因而至今仍受國內外史學界推崇。其他的註釋著作《後漢書集解》、《新舊唐書合注》等也頗見功力，被後代史學史專家評為「王氏所作補注、集解諸作，都是校注書中標準的著作。」《十朝東華錄》是王先謙的又一部重要的史著。《東華錄》本是清代的一種編年體史料長編，因國史館在清富東華門內而得名，先有蔣良驥編成自努爾哈赤天命朝至雍正朝5 朝《東華錄》。王先謙任職翰林院和園子監時，嫌其過於簡略，特詳加增訂，並加修了乾隆、嘉慶、道光3朝，後果增修咸豐、同治2朝，合稱《十朝東華錄》。該書取樹廣泛，不僅取自《清實錄》，還廣採《方略》、《會典》、《御製詩文》、《大臣列傳》等，所以至今仍是研究清史的基本史料。
鴉片戰爭之後，隨中西文化逐漸交流，中國學者開始著述外國史地，主先謙也順應時代潮流，於光緒年間撰成《日本源流考》、《五洲地理志略》。《日本源流考》探討日本的政事學術和治亂得失的本源，目的是欲使閉目塞聽的中國能急起仿效。書中還用一定篇幅輯錄明代戚繼光、俞大猷等抗倭的資料，反映出作者的愛國之心。《五洲地理志略》是王先謙花4年時間辛勤編纂而成的，書中薈萃了古今中外的史地圖籍，對歐美各主要國家作了較詳細的介紹。一個原先遵循乾嘉舊規的學者，能睜眼看世界，輯成世界地理書籍，確實是難能可貴的。
作為一名學術大家，王先謙深知版本校輯的重要，他強調「欲博覽遺書，尤以精研版本為重。」他獨自校勘或邀人合作而成的《郡齋讀書志》、《天祿琳琅書目前後編》、《魏書校勘記》、《鹽鐵論校本》等都受到版本目錄學者的重視。其中《鹽鐵論校本》被郭沫若、楊樹達著書時參考取材；他的《合校水經注》集乾嘉以來《水經注》研究之大成，為近百年來的獨特通行之作。
王先謙是史學大師，又是經學大師，他曾花費半生心力，成《尚書孔偉參正》一書，書中探討《尚書》原委，旁證歷代諸儒訓釋；博採《史記》、《漢書》、《論衡》等材料，對偽托之處詳加辨正。今文經學大師皮錫瑞評價它「兼疏今古文，說明精確，最為善本。」他並繼乾嘉年間的大經學家阮元之後，博觀慎取，解釋和考訂經書，集資匯刻了卷帙浩繁，於保存文獻，發展學術非常有益的《續皇清經解》，因而清代著名文獻學家劉錦藻評價：「維持文獻之功，阮氏而後為推先謙矣。」他還撰有《詩三家義集疏》等經學著作，從而奠定了自己在近代經學史上的地位。
在語言文字學方面，王先謙也頗有造詣。東漢時劉熙曾作《釋名》一書，以辭音求義，來推究事物名稱的由來，清代畢沅又作《釋名疏證》，對《釋名》加以註釋論證。對此，王先謙又特意撰寫了《釋名疏證補》，對畢沅此書再加補證。此書擷取江浙和湖湘學者精英，所校所釋，頗為全面而有系統，後人認為它超過了畢沅的《釋名疏證》，於訓訪、詞彙、音韻學等方面，均有一定的貢獻。
此外，王先謙一生所作詩文共有44卷，1190篇，蔚蔚大觀。他文宗秦漢，效法韓愈，筆力遒勁，氣魄雄渾，詩宗杜甫、蘇拭，自成格調，是晚清一大家，與王闓運齊名，人稱「二王」。
王先謙能在學術上取得這麼大的成就並不是偶然的。他自幼苦讀，鍥而不舍，數十年來廢寢忘食，孜孜於典籍之中，而且具有博採眾長，嚴謹平實的作風。王先謙治學側重古文經學，但不拘泥門戶，兼採今文學源的觀點，認為今古文經之爭，「輾轉紛紜，徒形詞費」。他輯印的《南著書院叢書》就被人稱作「無乾嘉諸子標漢宋之幟，分門別戶致辨之習氣」。而《續皇清經解》、《尚書孔傳參正》就又包含了許多今文經學的觀點和材料。他在政治上與維新派勢若水火，但卻能稱道梁啟超的《新大陸遊記》「頗有長進」，並在撰寫《五洲地理志略》時多處述引。王先謙在撰述過程中繼承了湖湘務實的傳統學風，重求實，反臆斷，凡遇暫時不明白的問題，並不武斷曲解，總是以「存疑」的態度對待，或註明「無考」，』或注時「未知孰是」，「所當厥疑」。而對自己著述中的錯誤，一經發現就立即糾正。他曾刻印袁本《世說》，當經葉德輝提醒知道袁本「訛謬百出」時，便毅然毀版，請葉詳加校勘後重鐫。他還深刻地揭示中國學人普遍務虛圖名的弊病說：「竊謂中國學人大病，在一空字。理學興，則舍程、朱而趨陸、王，以程、樂務實也。漢學興，則低漢而尊宋，以漢學若人也。新學興，又斥西而守中，以西學尤繁重也。至如究心新學，能人所難，宜無病矣。然日本維新,從製造入，中國求新，從議論入。所務在名，所圖在私。言滿天下，而無實以繼之，則亦仍然一空，終古罔濟而已。」正由於王先謙痛恨空談，因而自己堅持實事求是，嚴謙治學。他的這種學術態度不僅使自己成為一代宗師，而且啟迪了眾多岳麓書院士生，使他們深涉經史，旁及諸子，趨重實務，接受新學，使這千年學府再度煥發生氣，因而無論是撰述，還是教育，王元謙都堪稱大家。因此可見，當代學者李肖聃在《湘學略．葵園學略》中讚他「上箋辟經，下征國史，旁論文章，用逮譜子。四十餘年，楚學生光。」這並非是過譽之辭，堪當確評。
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