趙元任和胡適同年赴美留學。胡適棄農學文後，與趙元任一同選修克雷登教授的哲學課程，又結伴拜訪哲學教師阿爾培，二人交誼日深。由於學業突出，他們二人及胡明復三人入選全美高校聯合學會會員，一時傳為佳話。
胡適回國後，在北大任教，他一直挂念趙元任，1919年3月間，他寫信給身在美國的趙元任，邀他回北大教哲學，趙元任未應邀。
後趙元任回國，在胡適家中，結識錢玄同、黎錦熙等人，並一起致力於國語的推廣。對此，胡適極為支持，也給予趙等人幫助。
趙元任與楊步偉婚後赴美，途經上海，恰當時胡適也在上海，胡適每天都要到趙氏夫婦住的旅館看望攀談。當時大家都問楊步偉是否要買些中國的東西帶到美國。楊當時已經懷孕，一點不想動，但多數人以為她是因為離開醫院不開心。只有胡適說：「韻卿，我想你有特別的原因了，喝點汽水什麼的，也許胃口暢快一點。」楊步偉便埋怨趙元任：「你如何沒想到？」胡適大笑說：「他不內行，我是有經驗的，他若這個是內行就靠不住了。」
1922年，趙元任翻譯《愛麗絲漫遊奇境記》，此書由胡適命名。
趙元任曾編單音節故事《施氏食獅史》，胡適讀後說：「那時有人要用拼音來代替我國的方塊字，我要趙元任把這個故事寫成拼音之後，就再沒有人敢說用拼音代替方塊字了！」
1930年，胡適四十歲生日之際，趙元任為他的好朋友寫了一篇幽默戲謔的賀詞：「胡適說不要過生日，生日偏偏到了，我們一班愛起鬨的朋友，又來跟你鬧了。……天天兒聽見你提倡這樣那樣，覺得你真是有點兒對了都。你是提倡物質文明的咯，所以我們就來吃你的面；你是提倡整理國故的咯，所以我們都進了研究院；你是提倡白話文的咯，所以我們就羅羅嗦嗦地寫上了一大片……」
1948年，胡適回國就任北京大學校長，他寫信給趙元任說：「你們怎麼還不回來，我至今還盼望元任能到北大教書。」
1949年，胡適來到美國，他寫信給趙元任，說自己不願久居外國，回去又不知道能做什麼，「此事請元任替我想想，就給我一個判斷，請不必告訴外間朋友。」趙元任力勸他留在美國任教，甚至要為他預訂住房，贈送用書。此後，趙元任在其任教的加州大學徵集簽名，四處奔走，為胡適爭得來加州大學講學半年的機會。
居美期間，胡適頗為落魄，他對趙元任說：「我老了，已到了退休年紀，我有一點小積蓄，在美國只夠吃兩三年，在台北或台中可以夠我坐吃十年而有餘。」1957年11月，趙元任得知台灣「中央研究院」欲聘任胡適為院長時，馬上打電話給胡適，勸其應允。
1959年，趙元任夫婦赴台訪問，回美國前，胡適握住趙元任的手，久久不願鬆開，他對趙元任說：「退休後早點回來工作，訓練我們國家的青年！」
胡適晚年在台灣並不開心，在給趙元任的信中他寫道：「這大半年來所謂圍剿《自由中國半月刊》事件，其中受圍剿的一個人就是我。所以我當初決定要回去，實在是如此。（至少這是我不能不回去的一個理由。）……甚至於我在1952年～53年說的話，他們至今還記在賬上，沒有忘記。」
胡適去世後，趙元任極為悲痛，他根據胡適生前錄音撰成《績溪北嶺音系》一文發表，又將胡適寫給他的數十封私人信札整理刊發。1968年深秋，76歲的趙元任來到台北南港，在胡適墓前徘徊良久……
而趙元任去世後，他的女兒驚訝的發現，父親故去的時間竟與他的至交胡適逝世的時間為同日且為同時，只是前後相差整二十年。