Н. С. Трубецкой внёс вклад во многие гуманитарные науки, ему принадлежат работы по философии, истории, этнографии, фольклору, народной музыке и др. Однако главным объектом его исследований был язык И в лингвистике Трубецкой был энциклопедистом. Он изучал индоевропейские и чукотско-камчатские, кавказские и финно-угорские языки; писал о реконструкции праязыков и сопоставлении русского языка с мордовским, об истории славянских языков и принципах транскрипции, о поэтическом языке и искусственных международных языках. Его самая известная книга — «Основы фонологии», — вышедшая через год после смерти автора, содержит цельную науч!гую теорию, основанную на материале десятков языков мира. В понимании фонологии Трубецкой во многом отошёл от идей Бодуэна де Куртенэ (см. статью «Что такое звук и слово? Иван Александрович Бо-дуэн де Куртенэ»). Сохранив от концепции своего предшественника разграничение между фонетикой и фонологией и понятие фонемы, Н. С. Тру-бецкой отказался от понимания фонемы как явления психологического. Он развил и уточнил идеи, высказанные в 1923 г. его студенческим другом выдающимся фонологом и создателем письменностей для многих языков народов бывшего СССР Николаем Феофановичем Яковлевым (1892—1974), который продолжал работать на родине. Яковлев и Трубецкой отмечали, что фонема может выделяться объективно, без обращения к человеческой психологии, на основе её смыслоразличительной роли.
Возьмём ряд русских слов дом — том — ком — лом — ром — сом. Все они отличаются
только первыми звуками (в остальной части если и есть различия, то их заметит только прибор, но не человек). Следовательно, звуки [д], [т], [к], [л], [р], [с] играют смыслоразличительную роль (все соответствующие слова различаются по смыслу) и представляют разные фонемы. Для того чтобы выделить фонемные различия, достаточно одной пары такого рода слов (баран — барак).
Звуки, входящие в одну фонему, какими бы разными они ни были, не играют смыслоразличительной роли. В статье об И. А Бодуэне де Куртенэ упоминалось, что звук [э] в словах этот и эти произносится по-разному. В каком-то случае произносят один звук вместо другого: например, так может сделать иностранец, не вполне владеющий русским языком. Подобная речь может показаться странной. Акцент проявляется как раз в том, что вместо одного варианта фонемы иностранец использует другой, более для него привычный. Однако на смыслоразличительную функцию это не влияет и такую речь поймут.
Смыслоразличение — главная, но не единственная функция фонемы. Фонема может сигнализировать, например, о начале или конце слова или морфемы. Например, в английском языке <h> встречается только в начале слова, а в японском языке есть фонема, которая употребляется только в начале морфем (кроме недавних заимствований).
Важное значение для лингвистики имело понятие оппозиции, введённое Трубецким в «Основах фонологии». Различные пары (иногда тройки, четвёрки и т. д.) фонем противопоставлены друг другу по тем или иным признакам: например, <б> и <п>, <г> и <к>, <д> и <т> — по звонкости/глухости. Фонемы могут быть противопоставлены и более чем по одному признаку: например, <д> и <т'> по двум — твёрдости/мягкости и звонкости/глухости. Такого рода противопоставления Н. С. Трубецкой назвал оппозициями и разработал их классификацию.
Оба члена оппозиции могут быть противопоставлены во всех ситуациях- например, в русском языке <л> никогда не смешивается с <р>. Такую оппозицию знаков Трубецкой назвал равноправной. Но в некоторых позициях может выступать только один из членов. Так, в русском языке парные звонкие и глухие не противопоставлены на конце слова, здесь могут быть только глухие. Это неравноправная оппозиция. В таких случаях Н. С. Трубецкой говорит о нейтрализации противопоставления: два знака сливаются в одном Член, появляющийся лишь в позиции противопоставления, назван маркированным, т. е. отмеченным (в данном случае звонкий). Другой член оппозиции, выступающий и в позиции противопоставления, и в позиции нейтрализации, назван немаркированным, т. е. неотмеченным (в данном случае глухой)
Понятия оппозиции, маркированного и немаркированного членов и нейтрализации нашли широкое применение не только в фонологии, но в грамматике и семантике. Уже после смерти Н. С. Трубецкого его близкий друг, также эмигрант из России, Роман Осипович Якобсон (1896—1982) развил дальше данную фонологическую концепцию, предложив теорию дифференциальных (различительных) признаков фонем. Согласно этой теории, каждая фонема может быть представлена как пучок (набор) дифференциальных признаков, характеризующих её произношение. Все эти признаки объединены в пары типа гласный — негласный, твёрдый — мягкий, звонкий — глухой. Около полутора десятков признаков позволяют описать любую фонему любого языка мира.
Многие идеи и положения, выдвинутые в разные годы Н. С. Трубецким, стали основой для развития целых научных направлений. В отличие от многих других лингвистов, работавших после Соссюра, Трубецкой и Якобсон не ограничивали свои исследования «языком в себе и для себя». Обоих учёных всегда интересовали проблемы взаимодействия языка и культуры народов, языка и общества.
Николай Сергеевич Трубецкой и его единомышленники считали, что нельзя ограничиваться изучением языковой структуры вне связи с вопросом о том, для чего язык употребляется человеком. В «Тезисах Пражского лингвистического кружка» (1929 г.), написанных при участии Трубецкого и Якобсона, говорится: «...к лингвистическому анализу нужно подходить с функциональной точки зрения. С этой точки зрения язык есть система средств выражения, служащая какой-то определённой цели». Итак, главная функция речевой деятельности — обеспечивать общение людей. Кроме того, речевая деятельность выражает те или иные эмоции говорящего и вызывает те или иные эмоции у слушателя. Ещё одна функция — поэтическая (как сказано в «Тезисах...», она связана не с передаваемой с помощью языкового знака информацией, а с самим знаком, т. е. в поэзии важно прежде всего не то, о чём говорится, а то, как говорится). Все указанные функции, согласно Трубецкому и его соавторам, должна изучать лингвистика.