Защитив в 1875 году докторскую диссертацию, Бодуэн де Куртенэ уехал преподавать в Казанский университет. Именно там сложилась его научная концепция.

Бодуэн де Куртенэ совершил переворот в лингвистике: ранее языки исследовались исключительно по письменным памятникам. Он же в своих работах доказал, что сущность языка — в речевой деятельности, а значит, необходимо изучать живые языки и диалекты.

Бодуэн де Куртенэ в течение многих лет изучал разные индоевропейские языки, писал свои научные труды не только на русском и польском, но и на немецком, французском, чешском, итальянском, литовском и других языках. Работая в экспедициях, исследовавших славянские языки и диалекты, он фиксировал их фонетические особенности. Так, Бодуэн выступил основоположником фонологии.

Ученый впервые выделил главную единицу фонологии - фонему. Этот термин существовал и раньше, но Бодуэн Де Куртенэ придал ему новый смысл: фонема в отличие от звуков принадлежит сознанию человека, а не потоку звуковой речи. В фонему объединяются звуки, которые для носителя языка не различаются между собой. При выделении фонемы лингвист опирался на «языковое чутьё» носителей языка: «Язык есть комплекс членораздельных и знаме­нательных звуков и созвучий, соединённых в одно целое чуть­ём известного народа». Другой единицей языка, впервые выделенной лингвистом, была морфема. Понятие морфемы Бодуэн де Куртенэ также связывал с человеческой психикой.

Иван Александрович Бодуэн де Куртенэ первым начал применять в лингвистике математические модели. Доказал, что на развитие языков можно воздействовать, а не только пассивно фиксировать все происходящие в них изменения. На основе его работ возникло новое направление — экспериментальная фонетика.

Ученый считал, что языкознание должно опираться на достижения психологии и социологии, что полное исследование языковых факторов невозможно без обращения к данным этнографии, истории культуры, археологии и других наук.

Работая в Казани в 1874—1883 годах, учёный основал Казанскую лингвистическую школу, в Петербурге им была создана Петербургская лингвистическая школа. Бодуэна де Куртенэ многие считают одним из основоположников структурализма, наряду с Фердинандом де Соссюром.

Вместе со многими отечественными лингвистами участвовал в Орфографической комиссии, перед которой была поставлена задача упрощения русского письма (1904-1918 годы).