Учился в Высшей нормальной школе, испытал влияние Антуана Мейе. В своей диссертации пытался доказать, что греческая амброзия и индийская амрита — напитки, дарующие бессмертие, — восходят к праиндоевропейскому корню. Столкнувшись с враждебным отношением со стороны академического сообщества, Дюмезиль в 1925 году стал преподавать в Стамбульском университете, где увлёкся кавказскими языками — работал с последними носителями убыхского языка, переселившимися в XIX веке в Турцию. Исследовал осетинский эпос, в котором нашёл поразительные соответствия с преданиями кельтов. В 1931 году поступил в штат Упсальского университета, где познакомился со Стигом Викандером. Также находился в дружеских отношениях с Мирчей Элиаде. В 1978 году избран членом Французской академии. В 1984 году был удостоен престижной премии Чино дель Дука.
Путём сопоставления языкового материала и мифов различных индоевропейских народов Дюмезиль пришёл к выводу, что протоиндоевропейское общество функционально делилось на три сословия — жреческое (ср. брахманы), воинское (ср. кшатрии) и земледельческое (ср. вайшьи). Каждой касте соответствовало особое божество: скажем, у жрецов это был грозный, но справедливый бог-судья, карающий бог правосудия (Зевс — Юпитер — Один — Перун — Пяркунас — Митра — Варуна), у воинов — бог войны (Тор — Марс — Арес — Индра), у земледельцев — бог плодородия (Фрейр — Квирин — Велес).
Теория оказала огромное влияние на дальнейшие исследования в области индоевропеистики, особенно во Франции, и на становление структурализма (Дюмезиль способствовал продвижению карьеры молодого Фуко), хотя её схематичность неоднократно подвергалась критике).
Дюмезиль — автор около 40 книг, важнейшие из которых остаются непереведёнными на русский язык.
Русские издания:
Имя Жоржа Дюмезиля носит гимназия № 45 во Владикавказе.