就是在這樣艱苦的環境下，他們每天不顧風吹日曬，爬到石窟前進行認真的測繪、考察，堅持將雲岡石窟的建築藝術作了係統的研究，而且很快寫出了論文《雲岡石窟中所表現的北魏建築》，並發表在《中國營造學社彙刊》1933年12月第3卷第3、4期上。
該文是一篇嚴謹的學術論文。作者以豐富的中外建築知識和中國曆史知識，運用比較研究的方法，以實事求是的科學態度對雲岡石窟作了三個方麵的研究：一是石窟建造的年代、布置與構造；二是石窟中石刻上所表現的北魏建築物，如塔、柱、鬥拱、屋頂等等；三是石窟中飛仙的雕刻以及上麵的雕飾花紋的題材、樣式等。林徽因等人將雲岡石窟和敦煌石窟，以及希臘、日本的建築藝術作了比較，得出這樣的結論：
“雲岡石窟所表現的建築式樣，大部為中國固有的方式，並未受外來多少影響，不但如此，且使外來物同化於中國，塔即其例。……在結構根本原則及形式上，中國建築兩千多年來保持其獨立性，不曾被外來影響所動搖。所謂受印度、希臘影響者，實僅限於裝飾雕刻兩方麵。……在雕刻上隻強烈地觸動了中國雕刻藝術的新創造，其精神、氣魄、格調，根本保持著中國固有的，而最後卻在裝飾花紋上，輸給中國以大量的新題材，新變化，新刻法，散布流傳直至今日，的確是個值得注意的現象。”
林徽因和梁思成從日本學者的調查中得知，在應縣有一座11世紀的寶塔，當地人稱作“應州塔”。為了在出發前確定這座塔到底還在不在，梁思成在沒有電話的情況下，想出一個好辦法。他寫信到“山西應縣最高等照相館”，弄到一張應縣木塔的照片。林徽因看到照片後說：“阿彌陀佛！虧思成傾心的不是什麼電影明星，要不，憑他的執著勁，全都能追得到。”有趣的是，這家照相館索要的酬金很特別，隻是要一點北京的信紙和信箋，因為他們那兒沒有紙店。結束了為期三天的雲岡石窟考察之後，梁思成和莫宗江要去應縣考察木塔，林徽因和劉敦楨返回北平，整理資料。
轉過年來的1934年夏天，林徽因、梁思成又趕到到山西省繼續他們的古建築考察之旅，這次與他們同行的還有費正清、費慰梅夫婦。第一站是考察廣勝寺。
廣勝寺位於洪洞縣城東北17公裏的霍山南麓，寺區古柏蒼翠，山清水秀。該寺於東漢建和元年（公元147年）創建，初名俱盧舍寺，唐代改為廣勝寺。大曆四年（公元769年）重修。元大德七年（公元1303年）地震毀壞後重建。明清兩代又予以補葺，始成現狀。廣勝寺由上寺、下寺、水神廟三組古建築組成，布局嚴謹，造型別致。下寺的前殿，僅用兩根柱子作為支撐，梁架施大爬梁承重，形如人字柁站，構造奇特，設計精巧，讓梁思成歎為觀止。
上寺由山門、飛虹塔、彌陀殿、大雄寶殿、天中天殿、觀音殿、地藏殿及廂房、廊廡等組成。最吸引他們的是毗盧殿。毗盧殿共五間，廡殿式，殿內兩山施大爬梁，結構奇特，是元代建築藝術富有成就的實例，裝修上木雕棱花是明代小木作中的精品。山門內為塔院，飛虹塔矗立其中，塔呈八角椎體，十三層樓閣式，高47.13米。塔身由青磚砌成，各層皆有出簷。全身用黃、綠、藍三彩琉璃裝飾，一二三層最為精致，簷下有鬥拱、倚柱、佛像、菩薩、金剛、花卉、盤龍、鳥獸等各種構件和圖案，捏製精巧，彩繪鮮麗。塔內中空，有踏道翻轉，可攀登而上，設計十分巧妙。他們沿著踏道攀登而上，費正清不時發出陣陣驚呼。
林徽因對費正清、費慰梅說：“佛教流入中國後，從星象來看，選擇的就是佛塔的形式，因為在中國古代文化思想中，對於空間的理解，是空間與實體的辯證統一。高聳的形象，一方麵有紀念色彩，在壓倒人的心靈中來顯示崇高。元代的塔，人情味的特色很濃，這種人情味，通過色彩和圖案裝飾體現出來，把藝術立足於一種宗教情感上，它有著深切的虔誠，正因為這樣，藝術才願意跟宗教攜手而行。”
林徽因和梁思成將飛虹塔的各部分都做了測量，還拍了照片，畫了素描。因為車禍的緣故，梁思成走路有些坡腳，脊椎也受到損傷，導致背部無力。他穿著一件特製的鋼背心，以頑強的毅力克服重重困難，爬上屋頂和椽架進行測量。
離開廣勝寺，林徽因一行又來到晉祠。晉祠位於太原市區西南25公裏處的懸甕山麓，晉水的發源地。晉祠始建於北魏前，是為紀念周武王次子叔虞而建。武王滅商之後分封諸侯，把次子叔虞封於唐，叔虞死後，其子燮繼位，因有晉水，改唐為晉國。後人在懸甕山麓、晉水源頭建祠立設，以祭祀叔虞。
相對於其他寺廟的清冷，晉祠顯得更加熱鬧一些。這裏遊人極多，隻是進香者很少。穿過水鏡台，林徽因一行人來到了魚沼飛梁和聖母殿。聖母殿中的宋代結構和形製讓梁思成十分感興趣，他說這是一個絕好的營造法式的範本。費慰梅卻覺得魚沼飛梁上的石橋十分別致，展現出了東方人寧謐規範的審美觀。
隨後，他們又考察了蓮花台、老君洞、文昌宮、難老泉等景觀。這種野外考察還帶給了林徽因和梁思成這種久居城市的知識分子一種難得的機會，去觀察和體驗偏僻農村中勞動人民的艱難生活和淳樸民風。這種經驗給林徽因的思想帶來了很大的震動。
正是因為有著相同的愛好和事業，林徽因和梁思成互相鼓勵、互相合作，在家庭和事業上，都取得了令人滿意的成績。
1935年初，南京政府決定對山東曲阜的孔廟進行修繕和養護。梁思成到曲阜勘察孔廟，並作修葺計劃。就在這時，林徽因的肺結核又複發了。醫生要求她臥床休息三年，林徽因隻答應休息六個月。每天，林徽因除了睡覺外，就進行寫作。
2月，她的詩《憶》被選入楊晉豪編的《中國文藝年鑒》，由上海北新書局出版。6月1日，她的詩《吊瑋德》發表在《文藝月刊》第7卷第6期上。她的小說《鍾綠》、《吉公》，詩《城樓上》，散文《紀念徐誌摩去世四周年》等，發表在《大公報·文藝副刊》。另外她還寫了詩《靈感》，生前沒有發表，後收入1985年出版的《林徽因詩集》。
1936年5月，林徽因覺得自己已經康複，便和梁思成到達洛陽，會同劉敦楨和陳明達等，一起考察龍門石窟。結束了龍門石窟之行，林徽因、梁思成又進入一層新的境界，他們轉道七大古都之一的開封，作中國古塔的考察。
離開開封，他們又來到濟南與麥儼增會合，向東前往曆城、章丘、臨淄、益都、濰縣，然後又回到濟南，之後再南下長清、泰安、慈陽、濟寧、鄒縣、膝縣等十一個縣，考察神通寺四門塔、辟支塔、慧宗塔、法定塔、興隆寺磚塔、鐵塔寺鐵塔、法興寺宋塔、龍泉寺明塔，岱廟、縣文廟、寺殿等古建築。
在山東考察期間，林徽因不僅專注於古建築的測繪，還寫下了不少詩篇，比如《山中》：
紫色山頭抱住紅葉，將自己影射在山前，
人在小石橋上走過，渺小的追一點子想念。
高峰外雲在深藍天裏鑲白銀色的光轉，
用不著橋下黃葉，人在泉邊，才記起夏天！
也不因一個人孤獨的走路，路更蜿蜒，
短白牆房舍像畫，仍畫在山坳另一麵，
隻這丹紅集葉替代人記憶失落的層翠，
深淺團抱這同一個山頭，惆悵如薄層煙。
山中斜長條青影，如今紅蘿亂在四麵，
百萬落葉火焰在尋覓山石荊草邊，