1950年初，他與都市計劃委員會的陳占祥一起向政府提出了新北京城的規劃方案。他們根據北京作為全國政治中心的性質，預見到北京的長遠發展，提出將新的政府行政中心區放在舊北京城的西郊。他們從新行政區占地麵積、交通聯係、長遠發展等幾方麵加以分析比較，論證如將這個新區放在舊城之內則將帶來一係列不可克服的困難。他們認為北京舊城是一座規劃嚴整，保留有眾多文化古跡而且至今仍保存得十分完整的古城，他們主張把這座世界上少有的曆史名城保留下來，在改建中保持它的傳統風格。1950年，梁思成帶領清華大學建築係的教師設計了中華人民共和國國徽。1951年，他又組織教師參加人民英雄紀念碑的設計並擔任紀念碑設計委員會的領導，在他主持下確定了碑形的式樣。梁思成就是這樣，懷著滿腔熱情，以一個技術專家的極大責任心投入到新中國的建設事業之中，他自己說：“差不多每天都在興奮激動的心情中度過高興愉快的一天。”
在繁忙的工作中，梁思成始終沒有忘掉為新中國創造新建築的理想，始終沒有停止對建築創作理論的探索。他學習了毛澤東同誌的《新民主主義論》，尤其是其中關於新中國文化的論述，受到很大的教益，他認為新中國建築也和新中國的文化一樣，應該是“民族的、科學的、大眾的”。他寫文章，作報告，連續發表了《中國建築的特征》、《中國建築發展的曆史階段》、《中國建築與中國建築師》等，熱情地介紹中國建築傳統，論述建築創作的主張。
梁思成十分注意新建築的實踐，對於北京民族宮、美術館這樣較多的應用了大屋頂和古代建築裝飾的建築，梁思成並不認為他們就是最好的和唯一的民族形式；他發現有些地區、有些農村的住宅采用了中國建築的橫向開間比例，用普通磚砌出少許具有中國風格的裝飾，他十分高興地認為這可能是創造民族形式的廣闊途徑。可以說，在建築創作這樣複雜的學術問題上，幾十年來，梁思成始終在進行著思考和探索。
1963年，他為促進中日兩國的友好，特地設計了揚州“鑒真和尚紀念堂”。在這項設計中，梁思成根據1200年前鑒真和尚東渡日本傳播中國文化，在日本興造了奈良招提寺的史實，特地采用了我國唐代建築的式樣和風格，以象征中日兩國人民之間的傳統友誼。在揚州市建設局的具體領導和組織下，這一組精美的紀念性建築於1973年建成，1984年，榮獲全國優秀建築設計一等獎。
1962年，梁思成帶著助手又開始了對宋《營造法式》的研究工作。《營造法式》是我國宋朝朝廷頒行的一部關於建築製度的法規的書，是我國曆史上留存至今最完整的建築經驗總結。但是由於留存到今天的宋代建築很少，名稱與後代又多不相同，所以今人很難讀懂。梁思成在青年時代就有誌於研究此書，從20世紀30年代開始就決心將難於理解的論述和名稱加以注釋，用現代科學製圖方法畫出宋代建築的圖樣，這樣做對深入研究中國建築的傳統技藝有很重要的意義。但是，此項研究由於難度大始終沒有完成，1965年，梁思成終於完成了上卷的工作。這時，他雖然已經60多歲了，身體又多病，但他仍滿懷信心地表示：“要為社會主義幹他一二十年”。然而，1966年開始的文化大革命，使這位學者被迫終止了一切工作。
梁思成先後著書5種，發表學術論文60多篇，共150多萬字，現已整理成《梁思成文集》（1-4）全部出版。他和他領導的科學研究集體因為在“中國古代建築理論和文物建築保護”這個領域取得突出成就，1987年，被國家科學技術委員會授予國家自然科學獎一等獎。梁思成的學術成就也受到國外學術界的重視，美國有專門研究梁思成生平的學者並出版了他的英文專著《圖像中國建築史》。專事研究中國科學史的英國著名學者李約瑟說：梁思成是研究“中國建築曆史的宗師”。