Lönnroth disputerade 1934 med Curt Weibull som lärare på den nyorienterande avhandlingen Sverige och Kalmarunionen 1397–1457 och fullföljde sina medeltidsforskningar genom det banbrytande arbetet Statsmakt och statsfinans i det medeltida Sverige (1940). Ett stort antal uppsatser i skiftande ämnen, även historieteoretiska, publicerades i främst Scandia och Historisk tidskrift.