St.s wissenschaftliche Orientierung ist maßgeblich von der Philosophie Brentanos beeinflusst, von dem er die Grundlegung der Philosophie auf naturwissenschaftlicher Basis und den deskriptiven Zugang zur Psychologie übernahm. Inhaltlich gehen St.s Auseinandersetzung mit der englischen Philosophie und Psychologie, die Unterscheidung physischer von psychischen Funktionen sowie die Einteilung der psychischen Funktionen in Vorstellungen, Urteile und Gemütsbewegungen auf Brentano zurück. Seinem wissenschaftlichen Selbstverständnis nach blieb St. zeitlebens Philosoph, seine Arbeiten liegen im Wesentlichen im Bereich der Psychologie, zu deren Etablierung als Wissenschaftsdisziplin er mit dem von ihm aufgebauten psychologischen Institut in Berlin maßgeblich beitrug. Durch seine Schüler Edmund Husserl (1859–1938), Max Wertheimer (1880–1943), Kurt Koffka (1887–1967) und Wolfgang Köhler (1887–1967) ergeben sich Verbindungen zur Phänomenologie und zur Berliner Schule der Gestaltpsychologie. Zu den Berliner Studenten zählte auch der Schriftsteller Robert Musil.
Die musikwissenschaftliche Bedeutung St.s liegt in seinen ausgedehnten wahrnehmungspsychologischen Untersuchungen zur auditiven Wahrnehmung, mit denen er den Grundstein für die Entwicklung der Musikpsychologie legte, sowie in seiner Rolle für die Musikethnologie, zu deren Entstehung er mit eigenen Arbeiten und der Errichtung des Berliner Phonogrammarchivs einen wichtigen Beitrag leistete. Die Arbeit an der zweibändigen Tonpsychologie (1883/90), die St. bereits ab 1875 beschäftigte und der 1926 an Stelle des geplanten 3. Bandes eine Arbeit über Die Sprachlaute folgte, kann als St.s wissenschaftliche Hauptleistung betrachtet werden. Ausgehend von der Urteilslehre Brentanos untersuchte er darin unter Einsatz experimenteller Methodik die psychologischen Bedingungen auditiver Wahrnehmung. Er beschäftigte sich mit Einflüssen auf die Beurteilung von Empfindungen. Der für die Wahrnehmung gleichzeitiger Tonempfindungen eingeführte Begriff der Tonverschmelzung diente ihm zu einer von Hermann v. Helmholtz (1821–94) abweichenden Bestimmung von Konsonanz und Dissonanz.
In der (Musik)ethnologie sah St. eine notwendige Erweiterung des psychologischen Forschungsansatzes, da erst durch kulturell vergleichende Untersuchungen allgemeine Aussagen über psychologische und ästhetische Fragestellungen gewonnen werden können. Neben phonographischen Aufzeichnungen forderte St. dazu auch den Einsatz experimenteller Untersuchungen im ethnologischen Bereich. Sein Aufsatz Lieder der Bellakula Indianer (1886) gilt als Anfang moderner musikethnologischer Forschung in Deutschland. Nach dem Vorbild von Jesse W. Fewkes (1850–1930) nahm er erste phonographische Untersuchungen (Tonsysteme und Musik der Siamesen 1901) vor, die 1905 zur Gründung des Berliner Phonogrammarchives im Rahmen des psychologischen Institutes führten, das von Stumpfs Assistenten E. M. v. Hornbostel geleitet wurde.
Dr. med. h. c. der Friedrich-Wilhems-Univ. Berlin 1910; Orden Pour le mérite 1928; ordentliches Mitgl. der Bayerischen Akad. der Wissenschaften ab 1890 u. der Berliner Akad. der Wissenschaften ab 1895.
Über den psychologischen Ursprung der Raumvorstellung 1873; Tonpsychologie, 2 Bde. 1883 u. 1890; Das Berliner Phonogrammarchiv in Internationale Wochenschrift f. Wissenschaft Kunst u. Technik. Beilage der Münchner Allgemeinen Ztg. 22.2.1908; Über die Bedeutung ethnologischer Untersuchungen f. Psychologie u. Ästhetik der Tonkunst in F. Schumann (Hg.), [Kgr.-Ber.] Experimentelle Psychologie. Innsbruck 1910, 1911; Konsonanz und Konkordanz in [Fs.] R. Frh. v. Liliencron, hg. v. Vertretern dt. Musikwissenschaft 1910; Die Anfänge der Musik 1911; Erinnerungen an Franz Brentano in O. Kraus (Hg.), Franz Brentano. Zur Kenntnis seines Lebens u. einer Lehre 1919; Beitrag in R. Schmidt (Hg.), Die Philosophie der Gegenwart in Selbstdarstellungen 5 (1924); Die Sprachlaute. Experimentell-phonetische Untersuchungen. Nebst einem Anhang über Instrumentalklänge 1926; Erkenntnislehre, 2 Bde. 1939 u. 1940.
G. Oberkofler (Hg.), Franz Brentano. Briefe an C. St. 1989; K. Schuhmann in L. Albertazzi et al. (Hg.), The School of Franz Brentano 1996; T. Zeiler, Die musikethnologische Forschungsarbeit C. St.s 1996; H. Sprung, C. St. – Schriften zur Psychologie 1997; A. Schneider in M. Leman (Hg.) Music, Gestalt and Computing 1997; W. Baumgartner (Hg.), C. St. 2002.