Głównie interesowały go trzy obszary badawcze: Kujawy, Spisz oraz okolice jezior Grodno i Łebsko. Jako badacz gwar zapoczątkował i przyczynił się do rozwoju nagrywania i rejestrowania badań na płyty gramofonowe i taśmy magnetofonowe, dzięki czemu zasłużył się w dziele fonograficznej rejestracji ginących gwar polskich. Był to niewątpliwie przełomowy krok w obszarze badań nad gwarami i ich pozostałościami.
W 1961 roku objął stanowisko kierownika zakładu Filologii Słowiańskiej w Katedrze Języka Polskiego na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza. W roku 1969 otrzymał tytuł profesora nadzwyczajnego, a w 1982 profesora zwyczajnego. W 1987 roku przeszedł na emeryturę, jednak działalność naukową i dydaktyczną prowadził do samego końca. Od 1978 był członkiem Komitetu Językoznawstwa PAN. Zenon Sobierajski był twórcą wielu publikacji, redaktorem i współtwórcą m.in. słowników czy atlasów gwarowych. Dokonał znaczących badań dotyczących wymierających gwar polskich.
Zmarł w Poznaniu, pochowany na cmentarzu parafialnym Lutycka (kwatera Dz. Jezus-24-3)Plan Poznania - Cmentarze [dostęp 2026-01-15]..