1924年6月初，也就是陪伴詩人泰戈爾中國之行的那一年，雖然曆經了許多的風波，許多的考驗，但是林徽因都安然地走了過來，一樣美麗，一樣聰穎。作為一個學生，學習才是正業，這不僅是林徽因自己心中所想，也是梁思成及其父親梁啟超的打算。因而，林徽因和梁思成前往美國留學。三年間，二人的感情自不必說，這樣用心磨合一點一滴積累起來的感情自然經得起反複推敲和多方考驗。
7月份，林徽因、梁思成，還有他們的好友陳植一起來到了美國康奈爾大學，打算在這個暑期補習功課，適應環境。等到9月再去賓夕法尼亞大學報到。這段時間，林徽因選了戶外寫生和高等代數兩門課程，梁思成則選了三角、水彩靜物和戶外寫生三門課程。美國的新鮮空氣讓他們感受到了一種愜意而舒適的生活。白天學習，晚上聊天，兩個月的時間就這樣忙碌而充實地過去了。
他們決定先自己預修一些學分，然後到賓夕法尼亞大學直升建築係二年級。康奈爾是美國東部常春藤名校，依山傍水，景色秀美。梁思成在給家裏的信中說“這裏山明水秀，美如仙境”。他的學習自然十分用功，但卻又遇到了難以排解的苦惱。此時，梁思成不時收到姐姐梁思順的來信，信中談到她與母親怎麼反感林徽因，堅決反對他們倆結婚。她們的態度十分堅決，讓梁思成異常苦惱。梁啟超也感到了事態的嚴重，他說：“這是思成一生幸福的關鍵所在，我幾個月前就很怕思成因此生出精神異動，毀掉了這孩子。”
對此，林徽因自然感到非常委屈，覺得自己並沒有做錯。雖然是身正不怕影子斜，但這些事還是讓她精神憂鬱，以至於生病。好在梁思成明白事理，懂得林徽因的苦衷，還十分體貼，這讓林徽因感到欣慰，認為自己並沒有選錯人。但是，夾在中間的梁思成擔心母親和姐姐不能聽從勸告，難以轉變對林徽因的態度，這讓他深感苦惱。他在給姐姐的信中說：“感覺著做多少事，便受多少懲罰，非受完了不會轉過來。”
還好，這時也在美國留學的弟弟梁思永頗為理解他們。他一再寫信給姐姐梁思順，要她理解林徽因，還寫信給父親，懇求他勸說姐姐和母親。因而，到了1925年4月，梁思順對林徽因的態度有所改變，甚至“感情完全恢複”。梁啟超知道後，非常高興。
這時，又一件壞消息傳到美國。梁思成母親的癌症到了晚期，家裏已經開始為她準備後事。梁啟超發電報給梁思成，要他回國盡一個兒子應盡的義務。但梁思成剛入學不久，一切都還沒有頭緒，難以確定何時動身。由此以來，他和林徽因終日黯然神傷，內心十分痛苦。
一個多月的補習時間很快就過去了，當林徽因、梁思成和陳植三人來到位於費城的賓夕法尼亞大學建築係報到時，他們卻聽到一個令人沮喪的消息，校方告知他們：為了便於學校的管理，建築係隻收男生，不收女生。學校的管理者認為，建築係的學生經常須在夜裏作圖畫畫，而一個女生深夜待在畫室是很不適當的。林徽因沒有辦法，和梁思成商量之後，改報了美術係。本來是林徽因一直想上建築係，才拉著思成和他們的朋友陳植來到賓夕法尼亞大學的，結果她自己反而沒能注冊上，這讓林徽因感到懊惱。
1924年9月，梁思成和林徽因進入美國賓州費城的賓夕法尼亞大學學習。20年代的賓大建築係是藝術的堡壘，坐鎮的是係主任、法國著名建築師克雷（PaulP.Cret），這位著名的建築師把他的一生所學全都傳授給了他的美國學生。而在美術係注冊的林徽因也並沒有就此妥協。根據大學檔案顯示，自1926年春季班開始，林徽因己是建築係設計課的助理，而下學期又當上了建築設計課的輔導員。她究竟是怎麼辦到的？這點不得而知。反正從第一年開始，林徽因就和梁思成一起上建築課了。建築係的一位年輕講師，日後成為著名建築師的哈貝森，曾經誇獎他倆的建築圖作業簡直“無懈可擊”。大學裏的第一年，梁思成和林徽因的感情裏出現了一些摩擦，有時甚至會爆發激烈的爭吵。畢竟他們倆的個性和脾氣差異比較大，在婚前的這段時期，彼此仍有待調適，磨合是必不可少的。
在美國同學眼裏，中國來的留學生多半刻板、僵化。而“菲麗絲”（這裏的人都這麼叫林徽因）除外。她有著異乎尋常的美貌，活潑和機靈，英語說得地道流利，而且又天生善於交際，因而得到大家的喜愛。在學習上，林徽因雖說早就立誌學習建築，但她在繪畫、製圖方麵並沒有什麼基礎，不像梁思成，畢竟還有清華美術社的底子。林徽因幾乎是從頭學起，但她悟性極強，與生俱來的藝術氣質使她對線與型的把握帶有鮮明的個性特征，教繪畫的老師對她的這種能力十分讚賞。