1917年满清王朝早已被辛亥革命所推翻，五四新文化运动也正山雨欲来。陈垣所处的时代，是一个从社会制度到学术文化都发生着剧变而不断令人耳目一新的时代。倘若在这个大时代里，陈垣只是墨守清代考据学的陈规，只是用这种方法默默从事自己的研究，那么，即便他取得再辉煌的成果，也只能尊之为朴学殿军。
首先，陈垣致力于拓宽已有文献史料的网罗范围，方志和僧道碑版、语录都成了为其所用的绝佳资料。陈垣的《明季滇黔佛教考》在史料运用上更有特色，其《重印后记》对此指出道：“资料方面多采自僧家语录，以语录入史，尚是作者初次尝试，为前此所未有。”为了研究道教史，陈垣广搜金石碑版千余通，编为《道家金石录》，他后来撰著的《南宋初河北新道教考》即取资于此。陈垣率先把僧道碑版语录囊括进史料的大网，体现了扩张史料的见识和努力。
陈垣对于和自己研究领域息息相关的敦煌文书与内阁大库档案的发现，深感兴趣，并极为关注。对这两类新材料的利用和整理，陈垣投入了大量的时间和精力。民国初年，被斯坦因、伯希和等窃余的敦煌经卷入藏京师图书馆，陈垣震撼之余，清楚地意识到这批文书重现人世，将对中国历史研究产生不容低估的影响，不少以往的结论也许会因此改写或修正。这时，他正在从事古代宗教史的研究，估计敦煌经卷中会有佛教以外的宗教史料，便前去查阅，果然发现了宇字56号的摩尼教残经。他将这一稀见文献采入了自己的论文《摩尼教入中国考》，并作了校录，公诸于世。其后，他还有《跋西凉户籍残卷》等敦煌学论文问世。然而当时入藏的八千六百余卷文书，经编目登录的仅二千余卷。这种状况长此以往，将严重影响敦煌文书在新时代史学研究中的有效利用。1922年春夏之际，陈垣趁兼长京师图书馆之便，日以百卷为程，历时三个月，尽阅馆藏的八千余卷敦煌文书。阅读之后，他更明白了这批稀世文献的连城之价：“知其中遗文异义，足资考证者甚多，即卷头纸背之日常账目、交易契约、鄙俚歌词之属，在昔视为无足轻重，在今矜为有关掌故者亦不少。特目未刊布，外间无由窥其蕴耳”。陈垣痛感编制一部敦煌文书目录，是刻不容缓而又责无旁贷的。1924年，他被推为敦煌经籍辑存会采访部长，即登报征集公私所藏敦煌文书，拟编为总目。后因应者寥寥，遂仅就馆藏经卷，着录其每卷编号、起止、纸数、行数及内容，编为《敦煌劫余录》。尽管后来有更完备的总目出现，但《敦煌劫余录》作为最早问世的敦煌文书专题目录，成为中国敦煌学发轫的强大推动力。
在历史研究中，陈垣是较早对档案予以充分重视和积极利用的学者，他把中国的文字史料分为两大类：一是已成书册的史籍，一是未成书册的档案。20世纪20年代有关明清档案的八千麻袋事件发生以后，其大宗由历史语言研究所辗转购得，遂建立明清史料编刊会，由陈垣与陈寅恪、傅斯年等总其事，编选《明清史料》多集。其间，陈垣又以其素所奉行的“一人劳而万人逸，一时劳而多时逸”的无私忘我精神，对档案整理倾注了大量心血。他主持将康熙与罗马使节历次往来文书影印公布，并亲为作序，指出这批有康熙亲笔删改的汉文史料的珍贵价值，这也是最早影印公布的档案史料之一。1924年，陈垣从清档中发现康熙和罗马教皇关于礼仪之争的两份公文，正是借助中国传教史上这些极有关系的史料，陈垣作出了足以鸟瞰明清之际中西交通史全局的深刻结论“得此可见当时中西思想之不相容”。类似这样利用第一手的档案资料，纠正史书记载的讹误，拨开某些史事的迷雾，揭明有些史实的真相，在其史学论著中是并不少见的。
继成名作《元也里可温教考》后不久，陈垣相继发表了《开封一赐乐业教考》（1919年）、《火祆教入中国考》（1922年）、《摩尼教入中国考》（1923年），合称“古教四考”。这是我国第一次系统论述鲜为人知的四种古宗教的系列论着，开拓了中国宗教史研究的新领域。时人或疑其为耶稣教教友，或疑其为回回教徒，他明确宣布“我实一宗教史研究者而已，不配称为某某教徒”。在20世纪新史家中，陈垣是自觉以现代史学的眼光研究宗教史的先驱者之一。
历史观念的因时推移，所谓“时势不同，则对古史之认识有异也”，也是陈垣在历史研究中追随新史学潮流的表征之一。蒙元史研究虽然早在鸦片战争后就因边疆危机而渐成显学，但陈垣研究蒙元史的着眼点显然有别于其他前辈学者。辛亥革命以后的五族共和口号与五四运动以后的民族平等思想，对他的研究观念也产生了影响。他认为，对蒙元史的研究决不能再“以种族之见，横亘胸中”，而应该以全新的世界性眼光重新审视蒙元史，审视中国文化的强大生命力。他在20年代发表的蒙元史与中西交通史研究的扛鼎之作《元西域人华化考》中，贯彻了自己的这一观念。针对西化，他提出了历史上华化的事实：“盖自辽、金、宋偏安后，南北隔绝者三百年，至元而门户洞开，西北拓地数万里，色目人杂居汉地无禁，所有中国之声明文物，一旦尽发无遗，西域人羡慕之余，不觉事事为之仿效。”这种观念已完全突破了一般治蒙元史与中西交通史学者的认识水平，远远不是那些只醉心于西风东渐和沉迷于饾饤考证的论著所能比拟的。
新史学就是要运用新观念，借助新方法，处理新材料，解决新问题。然而，在论及新史学方法创建过程时，也许以为在这一方面陈垣乏善可陈，有关研究者几乎都对他不置一词。实际上，陈垣对此还是有自己的思考和探索的。他曾在《通鉴胡注表微考证篇》中指出：“考证为史学方法之一，欲实事求是，非考证不可。”应该承认，对中国旧史料的甄别考辨，清代朴学的考据方法确是行之有效的手段。陈垣以现代眼光与科学方法对传统年代学、目录学、校勘学和史讳学的总结和推进，不仅仅试图让现代新史家多一门径，多一管钥，免去或缩短那种暗中摸索的过程；还旨在进一步确立考证学在整个新史学中应有的地位和功用。在陈垣的史学思想和实践中，这种新史学的考证学显然是有别于干嘉考据学的。
20世纪中国新史学除了应该引进和借鉴现代西方史学方法外，更有必要在传统旧史学中汲取能够互相贯通的研究方法。陈垣认为，只要纠正清代朴学为考证而考证和繁琐考证等弊端，朴学考据方法的合理部分是完全可以从旧史学系统中转换出来，而为新史学体系所借用的。他对传统考证学方法的集大成式的总结与示范性的运用，其用意也在于此。
与考证学在新史学中地位和功用密切相关的，还有一个新史学能否培养出继往开来的合格传人的问题。由于五四前后白话文运动的兴起和新式教育的普及，那种旧式的国学训练传统也基本上随之中断，而随着时代的推移，如何使接受现代教育的学子在不太长的学习期间内，通过有效训练初步掌握传统史学的研究方法，进入新史学的研究领域，也是新史学直接面临的迫切问题。在陈垣看来，目录学、版本学、校勘学等史料学分枝学科的学习，固然有助于旧学知识的积累和国学技能的培养，但由于各学科是各自独立的，对国史研究来说，仍缺乏一种综合融通的训练。正是基于这种考虑，他创立了史源学这门新学科，在大学历史教学中设立了史源学研究（后称史源学实习）的课程。正如他在《通鉴胡注表微·考证篇》中所说的那样：“读史者当观其语之所自出”，“非逐一根寻其出处，不易知其用功之密，亦无由知其致误之原”。史源学研究的方法是择史学名著一二种，“一一追寻其史源，考证其讹误，以练习读史之能力，警惕着论之轻心”。而欲沿流溯源，考其本末，辨其真伪，就必须综合而灵活地运用年代、目录、版本、校勘、史讳等学科的基本知识，这样一来，传统的史料考据方法就能在阅读名著、寻考史源的过程中潜移默化而心领神会。陈垣倡导的史源学，实际上就是实践的史料考证学或史料鉴定学。其用意，一方面固然在于新史学后继者的培养，另一方面也欲为新史学的史料处理指点一条便径。
陈垣由于没有留学海外的经历，因而全力支持弟子姚从吾留学德国，希望他学会西洋史学方法与中国史学方法相结合，由此也可见他对新史学方法的重视。总的说来，比起同时代其他史学大师来，在陈垣的史学方法中，西方史学方法的影响相对较为薄弱，而相形之下，中国传统史学方法所占的比重则较为显著。从未出洋留学，完全借助传统方法，通过自学才得以跨入史学殿堂的陈垣，常常自谦其研究方法为“土法”，而其内心深处则潜藏着一种情结，那就是：土法足以与洋法媲美或抗衡，中国本土的旧汉学，也决不次于外来的新汉学。
