Karcagon kezdett törökül tanulni és innen indult el első törökországi útjaira (Isztambulba - 1907, majd Aydinba és Szmirnába - 1908). 1909 és 1913 között volt az Eötvös Kollégium tagjaként a budapesti egyetem magyar-német szakos hallgatója. Olyan tudósok mellett tanult, mint Gombocz Zoltán, Munkácsi Bernát, Goldziher Ignác és Vámbéry Ármin. 1913-ban bölcsészdoktori oklevelet szerzett. 1913-14-ben állami ösztöndíjjal a lipcsei, a berlini és a kieli egyetemeken tanult. 1915-től a budapesti egyetemen a török filológia magántanára, 1916-tól a török filológia nyilvános rendkívüli, 1918-50-ben nyilvános rendes, 1950-65-ben tanszékvezető tanára. Tudományos munkássága elismeréseként 1930-ban megszervezhette a bölcsészkaron a Török Filológiai és Magyar Őstörténeti Intézetet. 1932-33-ban és 1935-ben a bölcsészettudományi kar dékánja, 1947-49-ben az egyetem rektora. 1951-65-ben az MTA Nyelvtudományi Intézet igazgatója.
Több tanulmányutat tett Keleten és a bulgáriai törököknél. A török filológia nemzetközileg elismert művelője. 1916-17-ben jelent meg török nyelvtana, amely az arab írásos oszmán-török elsajátítására máig a legjobb kézikönyv. Alapvető jelentőségűek a honfoglaló magyarság kialakulására vonatkozó kutatásai. 1921-ben publikálta első tanulmányait a magyar nyelv török jövevényszavairól és a magyar őstörténet kérdéseiről. 1930-ban jelent meg legfontosabb és legnagyobb hatású munkája, A honfoglaló magyarság kialakulása. A könyvben a török törzsnévadást, a török törzsrendszert és a nomád török államok kialakulási formáit vizsgálta és bemutatta a csatlakozott török törzsek szerepét a magyar nép etnikumának kialakulásában. 1932-ben megfejtette a nagyszentmiklósi kincs besenyő feliratait. Foglalkozott török nyelvtörténettel, valamint a török nyelvjárásokkal is. Több tanulmányt szentelt annak a kérdésnek, hogy hol volt a törökség őshazája, mikor kezdődött a török népek vándorlása. Ezekre a kérdésekre a nyelvészet eszközeivel kereste a választ. Sokat foglalkoztatta az is, hogy Attila hunjai vajon törökül beszéltek-e, és hogy mi közük volt a magyaroknak a hunokhoz, mennyire megbízhatók a magyar krónikák azon állításai, hogy a magyarok a hunok utódai. 1957-ben egy 1422-ből fennmaradt oklevél hátoldalán besenyőnek vélt szójegyzéket találtak. Ezt a szöveget Németh megfejtette és megállapította, hogy az a magyarországi jászok nyelvén íródott; ma ez az egyetlen alán nyelvemlék. 1920-44-ben a Kőrösi-Csoma Archívum, 1922-től a Magyar Nyelvtudomány Kézikönyve (Gombocz Zoltánnal, Melich Jánossal) szerkesztője. 1951-től az Acta Linguistica főszerkesztője.
1953-tól a Bolgár, 1955-től a Német Demokratikus Köztársaság Tudományos Akadémiájának, 1958-tól a Szász Tudományos Akadémia levelező tagja. A Körösi Csoma Társaság tiszteleti elnöke. 1939-40-ben a Magyar Néprajzi Társaság alelnöke. 1939-45-ben a Tudományos Társulatok és Egyesületek Országos Szövetségének ügyvezető alelnöke, 1948-tól a Magyar Nyelvtudományi Társaság társ-, majd alelnöke. 1952-től a Societas Uralo-Altaica, 1956-tól a helsinki Finnugor Társaság és a londoni Királyi Ázsiai Társaság, 1960-tól Török Nyelvtudományi és a Török Történelmi Társaság, 1966-tól a lengyel orientalisztikai társaság tiszteleti tagja. 1937-ben Corvin-koszorúval, 1948-ban Kossuth-díjjal jutalmazták. Az MTA levelező tagja 1922. május 11-től, rendes tagja 1935. május 16-tól, igazgatósági tagja 1941. május 16. és 1946. július 24. között, az I. osztály titkára 1939. május 12-től 1949. november 29-ig, végül az I. osztály elnöke 1949. november 29-től 1955. május 28-ig. Akadémiai székfoglalóját Hunok, bolgárok, magyarok címmel 1923. április 16-án, rendes tagsági székfoglalóját Khudáji Divánja címmel 1936. június 2-án tartotta.
Fő művei: Kumük és balkár szójegyzék. Keleti Szemle, 1911., 1913.; Az ősjakut hangtan alapjai. Nyelvtudományi Közlemények, 1914.; Türkische Grammatik. I. Berlin-Leipzig, 1916., új kiad. 1917.; Türkisches Lesebuch. Berlin-Leipzig, 1916.; Türkisches Übungsbuch. Berlin-Leipzig, 1917.; Akadémiánk és a keleti filológia. Bp., 1928.; Türkischdeutsches Gesprächsbuch. Berlin-Leipzig, 1917.; A honfoglaló magyarság kialakulása. Bp., 1930., 2. bőv., átd. kiad. Kiad. Berta Árpád, 1991.; Nyelvtudományunk és a történetírás. A magyar történetírás új útjai. Szerk. Hóman Bálint. Bp., 1931., 2. kiad. 1932.; A nagyszentmiklósi kincs feliratai. Bp., 1932.; reprint kiad. 1977.; Die Inschriften des Schatzes von Nagyszentmiklós. Bp.-Leipzig, 1932.; A magyar rovásírás. Bp., 1934.; A székelyek eredetének kérdése. Századok, 1935., franciául: Archivum Europae Centro-Orientalis, 1940.; A hunok nyelve. - Hunok és magyarok. In: Attila és hunjai. Szerk. Bp., 1940., reprint kiad. 1986., 1996., törökül Istanbul, 1962.; Die türkischen Texte des Valentin Balassa. Acta Orientalia, 1953.; Zur Einteilung der türkischen Mundarten Bulgariens. Sofia, 1956.; Turkish Grammar. Angolra átdolgozta Halasi-Kun Tibor. The Hague, 1962.; Die Türken von Vidin. Bp., 1965.; Die türkische Sprache in Ungarn im XVII. Jahrhundert. Bp.-Amsterdam, 1970.; Gombocz Zoltán. Bp., 1972.; Törökök és magyarok. Szerk. Róna-Tas András, Kakuk Zsuzsa. I-II. Bp., 1990.
Róla szóló irodalom: Hazai György: Gyula Németh. Németh armagani. Ankara, 1962.; Hungaro-Turcica. Studies in honour of Julius Németh Szerk. Káldy-Nagy Gyula. Bp., 1976.; N. Kakuk Zsuzsa: Németh Gyula. Magyar Tudomány, 1977.; Róna-Tas András: Julius Németh. Life and Work. Bp., 1978.; Hora Manzonetto: II contributo di Gyula Németh ali dibattito 'altaico'. Studi miscellanei uralici e altaici. Venezia, 1984.; Németh Gyula műveinek bibliográfiája. Összeáll. Berta Árpád. In: Németh Gyula: Törökök és magyarok. II. Bp., 1990.; Róna-Tas András: Németh Gyula. Bp., 1990.; Ágoston Gábor: Karcag és a magyar turkológia. Jászkunság, 1993.
