1924年6月，一對風華正茂的情侶啟程，去往大洋彼岸的美國，就讀賓夕法尼亞大學。這對情侶就是梁思成與林徽因。梁思成原準備上一年赴美留學的，但因傷休養了一年，恰逢林徽因也考取了半官費留學，兩人得以雙雙赴美深造。
賓夕法尼亞大學
聰穎林徽因三年獲得美術學士學位
海船一路歷經風浪，於7月6日抵達了紐約綺色佳（Ithaca）的康乃爾大學（CornellUniversity）。梁思成與林徽因先在這裡利用暑假補習幾門課程。於9月正式入讀費城賓州大學（University of PennsyIvania），而賓大建築系那時不收女學生，林徽因沒能如願去建築系學習，只得落在了美術系，但她的良好功底和成績使她一入學就上了三年級，她的註冊英文名字叫菲莉斯（Lin Phyllis Whei-Yin）。幸好美術系和建築系同屬美術學院，加上梁思成在建築系，林徽因得以便利旁聽了建築課程。
林徽因的天性，以及此前她隨父親在英國生活一年多的經歷讓她便很快融入了已過異國的校園，她成為賓大中國留學生會社會委員會的委員。美術系三年級共有四名學生，林徽因與伊莉莎白蘇特羅（Elizabeth Sutro）友誼最深，她經常到蘇特羅父母家裡做客。蘇特羅晚年依然清晰地記得，林徽因「是一位高雅的、可愛的姑娘，像一件精美的瓷器……而且她具有一種優雅的幽默感」。
聰穎的林徽因，在大學生聖誕卡設計競賽中獲獎。那是用點彩技法畫的一幅聖母像，大有中世紀歐洲聖母像的蒼古感，這件珍貴的文物至今保存在學校的檔案館中。她用兩年時間，如期取得了美術學士學位，又作為建築系旁聽生，竟然不到兩年就受聘擔任建築設計教師助理，不久更成為這門課程的輔導教師。
遠在異國，雙雙經歷失去親人的苦痛
在梁思成與林徽因留學美國期間，恰逢梁、林兩家多災多難。先是梁思成母親病故；後遇林徽因父親不測，梁啓超又遭病痛折磨，生命多危。
梁思成與林徽因出國前夕，思成的母親李惠仙已經乳癌復發。為子女前程，堅強的母親忍痛放行。梁思成到美國僅一個多月，母親病情急速惡化，梁啓超發電報急召思成回國，然而未待思成啟程，母親就撒手人寰。思成無奈放棄床前盡孝的遠行，悲痛不已。
對林徽因的深重打擊，則是留學第二年冬天，傳來父親林長民身亡的噩耗，林長民一直是女兒成長的精神導師和堅強後盾。現在父親故去，全家失去了唯一經濟來源，未成年兒女和全家的生計都成了問題。
與林家交好多年的梁啓超，看到好友之女失去了父親，成為孤女，深感憐惜，隨即致信思成，囑他轉告徽因：「我和林叔的關係，他（她）是知道的，林叔的女兒，就是我的女兒，更何況你們兩個的關係。我從今以後，把他（她）和思莊（梁啓超二女兒）一樣看待……目前他要度過苦境，要鼓起勇氣，發揮他的天才，完成他的學問，將來和你共同努力，替中國藝術界有點貢獻，才不愧為林叔叔的好孩子。」（《與思成書》）梁啓超還直接給林徽因寫了長信，安慰和開導她。
在異國痛失父親是林徽因人生遭遇的第一次重大打擊，也斷了她繼續求學的經濟來源。林徽因想不待學成就回國謀生，又考慮在美國打工一年，自己解決留學經費，梁啓超得知後不予同意，他在給梁思成的家書中說，「徽因留學總要以和你同時歸國為度。學費不成問題，只算我多一個女兒在外留學便了。」（《與思成書》）
幾天後梁啓超就著手兌現，致信問梁思成：林徽因留學費用還能支撐多少時間，囑他立刻回告，以便籌款及時寄到。當時，梁家經濟也很困難，梁啓超準備動用股票利息解難，甚至說，「只好對付一天是一天，明年再說明年的話。」由此可見，梁啓超對林徽因又多了一份舔犢之情。
經受了異國失去親人的深深痛苦，在梁啓超父親般關愛和梁思成親切撫慰下，林徽因愈發成熟起來，她不再僅僅是那個單純、活潑的富家小姐，而更具有了獨立、憂患意識，更渴望學好本領，報效祖國，自立於社會。
賓大畢業，哈佛研讀，立志回國研究中國古代建築
在賓大讀書期間，梁思成常常沉迷於藏書豐厚的圖書館看書畫圖，是賓大出了名的。有一次，中國同學相約出外郊遊，梁思成仍在畫圖，同學們與林徽因打賭，問她是否能請得動梁思成一同出遊，林徽因特意換了身兒漂亮衣服，神採飛揚地敲開梁思成的畫室，梁思成饒有興趣地跟林徽因講起了他正在研究的一處古建築結構，林徽因幾次想打斷他，最後硬著頭皮跟他說：一起去郊遊吧，我跟同學打過賭了，你不去太不給我面子了！梁思成卻說：你跟他們去玩吧，我還要畫圖。林徽因只好失望而去。可見梁思成是個多麼專心用功的學生。
梁思成以其鑽研精神和優異成績榮獲了他大學時代的兩枚設計金獎。儘管如此，他還是感到不滿足，寫信告訴了父親。梁啓超對他的忠告是：「你覺得自己的天才不能符合你的理想，又覺得這幾年專做呆板工夫生怕會變成工匠。你有這種感覺，就是你的學問在進步的象徵，我聽見倒很喜歡。」
1927年，梁思成和林徽因雙雙從賓夕法尼亞大學畢業。梁思成2月拿了建築學士學位，7月獲得碩士學位。林徽因以高分獲得美術學士學位，四年學業三年完成。
此時，梁思成已取得建築師資格，但他還想在美國工作一段時間，學會怎樣教書。他明白要教書，就得對學術文獻有更廣泛的了解。他尤其想知道，他特別感興趣的中國建築，這些年在西方出版的著述。1927年8月，梁思成向哈佛人文藝術研究所提出了入學申請，理由是「研究東方建築」。哈佛錄取了他，於9月離開費城來到麻州劍橋。
在哈佛這段時間，梁思成通過哈佛圖書館的豐富藏書，開始了密集閱讀，來熟悉用東西方文字寫成的相關建築文獻。哈佛的東方藝術講師，朗敦華納(Langdon Warner)幫他找到主要的參考書，看西方人究竟如何看待中國藝術和建築。而梁思成後來在1947年評論道：「這些作者都不懂中國建築的『文法』。他們以外行人的視角描述中國建築，語焉不詳。「
在哈佛圖書館，梁思成四處搜羅有關建築的中文書籍。可惜藏書頗少，除了一些散頁外，幾乎一無所獲。梁思成在哈佛閱書時做了大量資料卡片，但他發現，有關中國建築史部分，他在哈佛學到的東西很少。無數的宮殿、廟宇、塔樓、園林，中國自己還不曾根據近代科學技術觀念對它們進行過研究。中國建築結構上的奧秘、造型和布局上的美學原則，在世界學術界中，還是一個未解之謎。至此，梁思成也立志回國研究中國的古典建築，解答未解之謎。
轉至下一年2月，梁思成完成了他去哈佛研修的目的，準備歸國。
而對戲劇心存嚮往的林徽因，在賓大取得學士證書後，便進入耶魯大學戲劇學院跟隨著名的G. P. 帕克教授學習舞臺設計，她成為中國第一個在國外學習現代舞臺美術的女留學生。她的天賦及美術和建築基礎，使她在這個專業也出類拔萃。那時常有同學臨到作業交卷時請她救急，其中一位請他救過急的學弟後來成了百老匯的著名舞美設計師。
這時，梁思成說服林徽因縮短了她學習舞臺設計的課程，並正式提議結婚。於是他們雙雙去往渥太華，梁思成的姐夫在那裡當總領事。
1928年3月21日，梁思成與林徽因在總領館舉行婚禮。這一天是宋代為建築家李誡所立碑刻上的唯一日期，他們選擇這個日子，是為了紀念這位偉大的中國古代建築師。
還是在賓夕法尼亞大學讀書期間，梁啓超給思成寄去一本新發現的古書《營造法式》重印本。這是北宋京城宮殿建築的營造手冊，為宋徽宗時工部侍郎李誡所著。梁啓超在信中評論道：「一千年前有此傑作，可為吾族文化之光寵也。」正是父親所寄的這本書，為梁思成夫婦打開了一扇研究中國建築史的重要大門。
婚禮一完成，他們便啟程到歐洲度蜜月，轉而回到祖國。（文陽子）