اثر مهم و ماندگار خانلري، تاريخ زبان فارسي است که تاکنون تنها کتاب مرجع در اين زمينه به حساب مي‌آيد.[بناي کتاب دستور زبان فارسي بر 5 جلد ريخته شده بود که زبان ايرانيان را از زمان کهن تا دوره معاصر دربرمي‌گرفت. جلد اول شامل اصطلاحاتي بود درباره زبان ايراني باستان و فارسي ميانه تا ورود اسلام. جلد دوم مشتمل بر زبان‌ها و گويش‌هايي بود که بعد از اسلام در قلمرو ايران‌زمين شکل گرفته و تکامل پيدا کرده‌است. اين دوره به قرن هفتم هجري ختم مي‌شود. جلد سوم ويژگي‌هاي نحوي و لغوي و آواشناسي دوره دوم زبان فارسي دري يعني بعد از استيلاي مغول را شامل مي‌شود. اين دوره به قرن سيزدهم خاتمه مي‌يابد و از دوره‌هاي تأثيرگذار در زبان فارسي معاصر است. جلد چهارم درباره زبان فارسي معاصر و تحول و دگرگوني آن است و جلد پنجم درباره زبان فارسي در کشورهاي همسايه مانند تاجيکستان، افغانستان و شبه‌قاره‌است. خانلري در دوره حيات خود موفق شد تنها جلد اول و دوم آنرا در چندين مجلد به تأليف درآورد که آثار پرارزش و ماندگار اين حوزه‌است. همچنين او طرح جامعي بر همين اساس ابزار زبان فارسي براي تأليف فرهنگ لغت پايه‌گذاري کرده بود که تنها موفق شد بخشي از دوره اول را آماده کند و به چاپ برساند.