廣勝上寺在霍山山巔。他們拾級而上，由山門進入彌陀殿、大雄寶殿、觀音殿、地藏殿，最吸引他們的是毗盧殿。這座大殿，是廡殿式，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。山門內是塔院，飛虹聳立其中，塔身琉璃鑲嵌，呈八角形，十三級，各層皆有出簷，全身用黃、綠、藍三彩琉璃瓦披掛。他們沿著塔中翻轉的踏道攀登而上，費正清不時發出一聲聲驚呼。
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，一方面有紀念色彩，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。」
林徽因和梁思成很認真地測繪了這座古塔各部分的尺寸，用他們的萊卡相機拍了照片，搞了細部的素描圖。梁思成因車禍撞壞腿後，骨頭交搭接合，他的右腿短了一截，不僅腿有點跛，也使他的脊椎彎曲，背部軟弱無力，他穿一件支撐脊椎的鋼背心，儘管行動不便，但仍能在屋頂、椽架上爬行，克服了常人難以忍受的困難。
離開洪洞，林徽因一行經文水到晉祠。晉祠在太原市西南的懸甕山下，是晉水的發源處。這座建築群始造於北魏前，為紀念周武王次子叔虞而建。叔虞封唐，他的兒子燮因晉水更國號，後人因以國號為祠名。晉祠屢經修葺而變遷，到北宋天聖年間，追封唐叔虞為汾東王，並為其母修建了規模宏大的聖母殿。
晉祠是個熱鬧的所在，同其它寺廟比起來，更多了一些人間煙火。遊人如織，大都是來遊覽的紅男綠女，很少有進香者。他們經水鏡台，看了魚沼飛梁和聖母殿。梁思成對聖母殿的宋代結構和形制很感興趣，說是營造法式的一個絕好的範本。費慰梅卻稱讚魚沼飛樑上的石橋，結構精巧，體現了東方人靜謐整潔的審美情趣。
接著，他們還看了蓮花台、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樣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。這種經驗帶給了林徽因思想上很大的震動。
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，林徽因的肺結核又復發了。醫院的大夫要求她臥床休息三年，林徽因只答應休息六個月。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《紀念徐志摩去世四週年》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復，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７大古都之一的開封，作中國古塔的考察。
山東之行不僅積累了第一手珍貴的建築資料，也啟發了林徽因的藝術靈感。她一路走，一路寫詩，許多佳作成為後人傳誦的名篇，一首詩《山中》寫道：
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。
高峰外雲在深藍天裡鑲白銀色的光轉，
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，仍畫在山坳另一面，
只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，如今紅蘿亂在四面，
百萬落葉火焰在尋覓山石荊草邊，
當時黃月下共坐天真的青年人情話，相信
那三兩句長短，星子般仍掛秋風裡不變。
這首詩，淋漓盡致地寫出了一個行路人置身於自在自然的感覺，心境與山景，完美和諧，迥出塵表，令人一唱三歎。她的《黃昏過泰山》，則表達了另一種情愫：
記得那天
心同一條長河，
讓黃昏來臨，
月一片掛在胸襟。
如同這青黛山，
今天，
心是孤傲的屏障一面；
蔥鬱，
不忘卻晚霞，
蒼莽，
卻聽腳下風起，
來了夜——
她心的孤傲的屏障，在山的懷抱中為之一開，胸襟掛一片月光，全部的感覺便溶入了這橙色的蒼茫。接著又去考察了位於洛南市南郊的關羽墓，並到開封考察了宋代的繁塔，去泰安考察了泰山腳下的岱廟——這是歷代帝王祭祀的地方。
日本人曾經斷言，中國已不存在唐代的木構建築，要看唐代木構建築，人們只能到日本奈良去。但是，梁思成和林徽因相信，中國這麼大的地方，肯定會有唐代的木構建築存在。他們到圖書館去翻閱了很多材料，結果有重大的發現。在法國漢學家伯希和寫的《敦煌石窟圖錄》裡，有兩張唐代壁畫的研究引起他們的注意。這兩張壁畫描述了佛教聖地五台山的全景，並標明了每座寺的名字。梁思成又在北平圖書館見到一本《清涼山：（山西五台山）志》，裡面有佛光寺的記載。梁思成和林徽因估計這個地方由於交通不便，進香的人也不多，比較有利於古建築的保存，他們決定去碰碰運氣。
１９３７年６月，梁思成和林徽因、莫宗江、紀玉堂一起乘火車到太原。之後坐汽車，到了半路改騎馱騾，往五台山進軍。在險峻的山路上迂迴前進，有時連牲口也不肯向前，他們只好拉著毛驢步行。這樣走了兩天，才到達位於五台縣城東北６０華里的佛光寺。只見那裡的唐代木構、泥塑、石刻、壁畫、墨跡，以及寺內外的魏（或齊）唐墓塔、石雕，薈萃一處，相互依襯。這是我國歷史文物中的瑰寶。
梁思成在《尋找古建築》一文中，詳細地描述了他們在佛光寺的一些情況。他說，他們第二天就開始了仔細的調查。斗拱、梁架、藻井以及雕花的柱礎都細看過，無論是單個或總體，都明白無誤地顯示了晚唐時期的特徵。當他們爬進藻井上面的黑暗空間時，在那裡看到了一種屋頂架構，使用雙「主椽」（借用現代屋頂架的術語），其做法只有在唐代繪畫中才有。這個「閣樓」裡住著好幾千隻蝙蝠，它們聚集在脊檁上邊，這使他無法找到在上面可能寫著的日期。除此之外，木材中又有千千萬萬吃蝙蝠血的臭蟲。他們戴著厚厚的口罩掩蓋口鼻，在黑暗和難耐的穢氣中好幾個小時地測量、畫圖和用閃光燈照相。
在大廳裡工作的第三天，林徽因在一根梁的根部下面注意到有中國墨的很淡的字跡。這個發現對大家的影響猶如電擊一般，沒有比實際寫在廟的樑上或刻在石頭上的日期更讓人歡喜的東西了。當大家忙著想辦法在佛像群中搭腳手架以便清洗樑柱和就近審視題字時，她把頭盡量往後仰，從各個不同角度盡力辨識樑上的文字。經過一番努力，林徽因認出一些隱約的人名，還帶有長長的唐朝官職。其中最重要的是最右邊的那根樑上，當時依稀可辨的是：「佛殿主女弟子寧公遇」。而在外面台階前的石柱上刻的年代是「唐大中十一年」，相當於公元８５７年。他們回北平後，林徽因見到朱自清和蕭乾，還興致勃勃地向他們描述考察時的情景。林徽因和同伴們發現的佛光寺大殿，是當時國內已知的最古老的木結構建築。
佛光寺也有許多古塔，幾乎全是國內建築的孤例。在東大殿南側，是開山祖師願誠的墓塔，上半截塌掉了，只留下了雕有蓮花瓣和寶珠的塔座。林徽因說，這種局部裝飾的手法，是典型的北魏風格。整個墓塔林中的塔，有唐代的，也有宋代的。他們真像走進了一座古老年代的迷宮，林林總總，讓他們目不暇接。
結束了佛光寺的考察，他們一路北上，看了靈境寺、金閣寺、鎮海寺、南山寺，最後到了五台縣最北端的秀麗山鎮台懷。台懷鎮地處五台山五大高峰懷抱之中，這個小鎮居住著漢、滿、蒙、藏四個民族，近兩千人。台懷鎮有一靈鷲峰，亦稱菩薩頂，佛教史籍記載，東漢時期佛教在中國最初的傳播人掇摩騰和竺法來到台懷鎮，看到菩薩頂的形狀，頗像印度的靈鷲峰，因而名之。佛教史籍也記載著，台懷鎮大白塔的地底下，藏有釋迦牟尼的舍利，因此，歷代以來，朝廷和佛門信徒紛紛於台懷鎮及其附近修寺廟，使這裡形成了佛寺鱗次櫛比、寶塔如林的五台山佛教中心。五台山的佛教寺院有一半以上集中在台懷鎮。
林徽因、梁思成等四人，看了附近的顯通寺、塔院寺、萬佛閣、羅侯寺、圓照寺等二三十所廟宇，大都是明清時代的建築，這更讓他們對佛光寺的發現充滿了欣喜。林徽因和梁思成立即致信太原教育廳，詳細陳述了佛光寺的歷史價值，建議他們立即制定出一個永久性的保護辦法。
下山之前，林徽因給讀小學三年級的女兒寶寶發了一封信，詳細地描述了他們上山和下山的路線，並畫了一張地圖。離家越久，她越是想念女兒和兒子。每次外出考察，她都要給女兒寫信，把一個８歲的孩子當大人看待。她把旅途生活和考察成果告訴寶寶。
７月初，他們開始回返，一路上或騎騾子，或爬山，或坐貨車。走出五台山，經砂河、繁峙，到代縣，已是７月１２日了。到代縣之後，他們聽到北平發生了「盧溝橋事變」的消息，一路上的興奮，如迎頭潑了一盆冷水，大家的心情立刻沉重起來，梁思成想起「九·一八」事變前日軍在瀋陽的種種暴行，忍不住仰天長歎。
他們決定立刻趕回北平，但平漢、津浦兩條鐵路已不再通車，只能繞道返回。又恐平綏不得達，只好囑紀玉堂帶上圖錄、稿件，暫返太原，等候消息。４人翌晨從代縣出發，徒步到同蒲路中途的陽明堡，匆匆分手，各奔南北。林徽因、梁思成出雁門關，過大同、張家口晝夜兼程，趕回北平。
回到北平，他們立刻聞到濃烈的火藥味，宋哲元２９軍的兵車從大街上呼嘯開過，回到北總布胡同３號家中，又見士兵們在門口挖了塹壕，好像是要打一場大仗的樣子。聽到林徽因和梁思成考察歸來的消息，朋友們相邀來到他們家，那時北平馬路消息很盛，人心惶惶。大家相約以實際行動支持宋哲元，林徽因、梁思成同劉敦楨一起，在北平教授致政府要求抗日的呼籲書上簽了名。
由於戰雲壓城，營造學社的工作已無法再進行。林徽因和梁思成終日憂心如焚，營造學社的同仁們最擔心這幾年積累的大量調查資料落人敵手，他們決定把這些資料，轉移到天津英租界英資銀行保險庫中存放。
幾天之後，守軍卻悄悄地撤走了。７月２８日，日軍佔領北平。看著滿街的太陽旗，民族的恥辱感油然佔據了林徽因的心頭。忽然一天，林徽因和梁思成收了到署名「東亞共榮協會」的請柬，約他們參加一個會議，林徽因憤怒地把請柬撕碎了。他們決定離開北平，到後方去，到大西南去。儘管北平有他們溫暖安適的家和優越的治學條件，然而戰爭迫使他們必須離開這裡的一切。
從１９３０年到１９４５年，他們夫妻二人共同走了中國的１５個省，２００多個縣，考察測繪了２００多處古建築物，很多古建築就是通過他們的考察得到了世界、全國的認識，從此加以保護。比如像河北趙州石橋、山西的應縣木塔、五台山佛光寺等。也正是由於在山西的數次古建築考察，使梁思成破解了中國古建築結構的奧秘，完成了對《營造法式》這部「天書」的解讀。