1916年从日本回国后,王国维继续从事古代史及古文字研究。1919年研究敦煌写本及西北史地。1921年集辛亥后历年研究成果,汇为《观堂集林》20卷出版,在学术界获得了崇高声誉。在《观堂集林·史林》各卷中,有许多专门研究中国古代历史地理的篇章。举其要者,有《说自契至于成汤八迁》、《说商》、《说毫》、《说耿》、《说殷》、《秦都邑考》、《秦郡考》等。《太史公行年考》虽为年谱性质的文章,重在考证太史公司马迁的生卒年代及生平史事,但对他的旅游路线却作了前无古人的考察。在《说自契至于成汤八迁》一文中,他通过周密的考察,证明了《尚书》序“自契至于成汤八迁”的正确,并因《正义》“仅举其三”而将其所缺的五迁补足。这八迁是:“契本帝喾之子,实本居毫,今居于蕃是一迁也”。“由蕃迁于砥石,是二迁也”。“砥石迁商,是三迁也”。“相土又东徙泰山下,后复归商邱,是四迁、五迁也”。“商侯迁于殷,是六迁也”。“殷侯复归于商邱,是七迁也”。“至汤始居毫,从先王居,则为八迁”。“汤至盘庚五迁,书序纪其四,而前之八迁,古未有说。”能将古未有说的八迁补足,说明王氏这项历史地理考证的深厚功力及巨大成就。
《秦郡考》是又一项开拓性的研究。自古言秦郡者分为二说:一以为三十六郡乃秦一代之郡数;一以为始皇二十六年之郡数,而后此所置者不与焉。前说始于班固《汉书·地理志》,后说始于裴驷《史记集解》,而成于《晋书·地理志》”。钱大昕用班说,姚鼐主裴说。二者争而不决久矣。王国维采用以《史记》证《史记》的办法,将散见于《史记》各篇中有关始皇二十六年以前置郡的记载,一一析出,共得“二十有七”。又于《汉书·地理志》中求之:邯郸、钜鹿二郡,当为十九年灭赵后所置。砀郡当为二十二年灭魏后所置,长沙、九江、泗水、薛郡当为二十三年灭楚后所置。齐郡、琅邪当为二十六年春灭齐后所置。加上《史记》中之二十七郡,共为三十六郡。这三十六郡应当是始皇二十六年所设的三十六郡。始皇三十三年略取陆梁地为桂林、象郡、南海,北击匈奴略取河南地设置九原郡,秦末设置陈郡、东海郡,这样于二十六年后又在《史记》中得六郡,加前三十六郡为四十郡。这是否就是秦一代所置之全部郡数呢?王氏认为:“然以当时之建置言之,则余未敢信也”。为什么呢?他提出了自己的疑问:“夫齐地之大,以视韩、魏,固将倍之,且负海饶富,非楚赵边地之比也。今举全齐之地仅置二郡,其不可解一也。燕之五郡皆缘边郡,而无腹郡。自蓟以南,古称天府之地,今虚不置郡,其不可解二也”。他求之《汉书》,“得汉初之胶东、胶西、临淄、济北、博阳、城阳,而临淄原为齐郡之本名,实为一地,加上琅邪,共得七郡。又《水经注.漯水注》言:始皇二十一年灭燕,以为广阳郡,全祖望《汉志稽疑》力主此说。这样燕齐之地又增六郡,加四十二郡,共得四十八郡。秦以水德,故数以六为纪。四十八适为六的八倍。”上面论述,论据确凿,资料充分,不仅纠正了《汉志》中的舛误,而且提出了新的结论,令人耳目一新。
在《太史公行年考》中,他根据《史记》各篇中提供的线索,剔除有年可考者,依先后顺序,组成了一个比较合理的旅游路线。即:适长沙观屈原所自沉渊(屈原贾生列传)——浮于沅湘(自序)——窥九疑(自序)——南登庐山观禹疏九江遂至于会稽大湟(河渠书)——上会稽探禹穴(自序)——上姑苏望五湖(河渠书)——适楚观春申君故城宫室(春申君列传)——适淮阴(淮阴侯列传)——行淮泗济漯(河渠书)——北涉汶泗讲业齐鲁之都观孔子之遗风乡射邹峄(自序)——适鲁观仲尼庙堂车服礼器诸生以时习礼其家(孔子世家)——厄困鄱薛彭城(自序)——过薛(孟尝君列传)——适丰沛(樊郦滕灌列传)——过梁楚以归(自序)——适大梁之墟(魏世家及信陵列传)。这是具有开拓意义的。