１９２４年６月初，也就是陪伴詩人泰戈爾中國之行的那一年，雖然歷經了許多的風波，許多的考驗，但是林徽因都安然地走來，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，３年間，二人的感情自不必說，這樣地用心磨合一點一滴積累起來的感情自然經得起反覆推敲和多方考驗。
這一年，林徽因２０歲，梁思成２３歲。７月的美國，陽光明麗，空氣清爽。林徽因和梁思成到了風景秀麗的康奈爾大學，利用暑假的時間補習功課，調整身心，適應新的環境。他們準備９月份再到賓夕法尼亞大學建築系註冊。與林徽因、梁思成一同到美國的還有梁思成的清華同窗好友陳植，也準備學習建築。７月７日，梁思成給北京的親人寫信。他告訴父親自己和林徽因已經按預定計劃在康奈爾大學安頓下來，開始了功課補習。林徽因選了戶外寫生和高等代數兩門課程，自己選了三角、水彩靜物和戶外寫生三門課程。他告訴父親：「這裡山明水秀，風景美極了！」
他們租住的公寓有個小小的陽台，黑色的雕花鐵欄呈半圓形。站在那個小陽台上，可以眺望綠色的山谷和明亮的河水。白天，他們背著畫夾出去寫生，盛夏的太陽和新鮮的空氣沐浴著他們。傍晚回到宿舍，他們喜歡舒展四肢倚在陽台上聊天、看書，一直到絢麗的夕陽漸漸被暗下來的山谷吞沒。
他們自己預修一些學分後，到賓夕法尼亞大學直升建築系二年級。康奈爾是美國東部常春籐名校，依山傍水，景色秀美。梁思成在給家裡的信中說「這裡山明水秀，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「感情完全恢復」。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，家裡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系報到時，他們卻聽到一個令人不安的消息，校方告知他們：為了便於學校的管理，建築系只收男生，不收女生。學校的管理者認為，建築系的學生經常須在夜裡作圖畫畫，而一個女生深夜待在畫室是很不適當的。林徽因沒有辦法，只好和其他女生一起在美術系註冊。本來是林徽因一直想上建築系，才拉著思成和他們的朋友陳植來到賓大，結果她自己反而上不了，這讓林徽因感到懊惱。
事實上，她並不肯就此妥協。大檔案顯示，自１９２６年春季班開始，林徽因己是建築系設計課的助理，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？林徽因和梁思成商量後，改報了賓大美術系，同時選修了建築系的主要課程。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年代的賓大建築系是藝術的堡壘，坐鎮的是系主任、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傳授給了他的美國學生。
如何打破賓夕法尼亞大學的規定，這點不得而知。反正從第一年開始，林徽因就和梁思成一起開始上建築課了。建築系的一位年輕講師，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」。上大學的頭一年，梁思成和林徽因之間經歷了一番感情的掙扎，有時甚至爆發激烈的爭吵。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。
在美國同學眼裡，中國來的留學生多半刻板、僵化。而「菲麗絲」（這裡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，說一口流利的英語，而且又天生善於交際，因而得到大家的喜愛。在學習上，林徽因雖說早就立志學習建築，但她在繪畫、製圖方面並沒有什麼基礎，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。但林徽因悟性極強，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徵，教繪畫的老師對她的這種能力十分讚賞。
但是梁思成真的是那麼刻板、死硬嗎？毫無疑問，他是一個嚴肅用功的學生，他一輩子都是如此，這是他的天性。在梁思成的心目中，他和林徽因是一種「沒有正式訂婚的親密關係，覺得對她有責任而想管管她」。但林徽因在美國的文化環境中如魚得水，她正在充分享受美國的自由，在男女同學裡受到的歡迎真是令人陶醉，所以當梁思成因為愛她，有時想約束一下她時，林徽因常常付之一笑，但梁思成對林徽因非常體貼，而且很有耐心。每次約會，梁思成都要在女生宿舍下面等二三十分鐘，林徽因才打扮好，姍姍地下樓來。因而，梁思永曾為他們撰寫了一副對聯：「林小姐千裝萬扮始出來；梁公子一等再等終成配。」橫幅是「誠心誠意」。
不過，他們還是盡量在不壓抑自己個性的條件下，相互容讓和妥協。大學時代，他們性格上的差異從工作態度上便可看出。滿腦子都是創意的林徽因，常常先畫出一張草圖或建築圖樣。然後一邊做，一邊修正或改進，而一旦有了更好的點子，前面的便一股腦兒丟開，等到交圖的最後期限將到，即使在畫圖板前不眠不休趕工也來不及了，這時候梁思成就插進來，以他那準確和熟練的繪圖功夫，把那亂七八糟的草圖變成一張整潔、漂亮，能夠交卷的作品。他們倆合作無間，各為建築貢獻出自己的特殊天賦。
對於林徽因在賓大學習生活的其他細節，我們可以從她的一位美國同學寫的一篇文章中瞭解一二。在１９２６年１月１７日，比林斯給她的家鄉《蒙塔納報》寫了一篇訪問記，記述了林徽因在賓大時期的學生生活：
「她坐在靠近窗戶能夠俯視校園中一條小徑的椅子上，俯身向一張繪圖桌，她那瘦削的身影匍匐在那巨大的建築習題上。當它同其他３０到４０張習題紙一起掛在巨大的判分室的牆上時，將會獲得很高的獎賞。這樣說並非捕風捉影，因為她的作業總是得到最高的分數或是偶爾得第二。她不苟言笑，幽默而謙遜，從不把自己的成就掛在嘴邊。」
「我曾跟著父親走遍了歐洲。在旅途中我第一次產生了學習建築的夢想。現代西方的古典建築啟發了我，使我充滿了要帶一些回國的慾望。我們需要一種能使建築物數百年不朽的良好建築理論。」
「然後我就在英國上了中學。英國女孩子並不像美國女孩子那樣一上來就這麼友好。她們的傳統似乎使得她們變得那麼不自然的矜持。」
「對於美國女孩子——那些小野鴨子們你怎麼看？」
回答是輕輕一笑。她的面頰上顯現出一對色彩美妙的、淺淺的酒窩，細細的眉毛抬向她那嚴格按照女大學生式樣梳成的雲鬢。
「開始我的姑姑阿姨們不肯讓我到美國來。她們怕那些小野鴨子，也怕我受她們的影響，也變成像她們一樣。我得承認剛開始的時候我認為她們很傻，但是後來當你已看透了表面的時候，你就會發現她們是世界上最好的伴侶。在中國一個女孩子的價值完全取決於她的家庭，而在這裡，有一種我所喜歡的民主精神。」
可以說，美國民主、自由的文化環境讓林徽因感到了舒暢、幸福。她在這樣的環境裡，盡情的施展自己的個性，揮灑自己的才華。
林徽因學習是努力的，梁思成無言卻無處不在地關心也時刻溫暖著她。但這種學習生活並不能使她感到滿足，畢竟美國文化和中國文化有著巨大的差異，畢竟基礎學科的訓練是刻板而近乎枯燥的。她懷戀自幼浸濡其中、充滿藝術氛圍的生活，每當奔走在美術教室和建築教室之間時，每當節假日美國的同學都外出度假或回家時，她就會抑制不住地想家、想北京、想父親和娘，想互相有說不完私房話的表姐妹們，還想新月社的友人。她寫給國內親友的信，流露了這種感情。
所以在其間有這樣一則趣聞。有一天，林徽因突然給徐志摩寫了一封信，在給徐志摩的信中，林徽因寫道：「……我的朋友，我不要求你做別的什麼，只求你給我個快信，單說你一切平安，多少也叫我心安……」於是徐志摩花了一個晚上趕寫，第二天一大早就去發電報，等到了郵局，有人告訴他，已經有４個人給這位密斯林發電報了，徐志摩拿來一看，原來都是留學時熟識的朋友，其實這是林徽因開的一個玩笑。