一九二七年底，梁啟超在國內為海外的梁思成、林徽因舉行了隆重訂婚儀式。林徽因父親既已過世，母親不便行事，姑父卓君庸便代行商議。禮儀按傳統手續一一進行。梁啟超提出，用舊式紅綠庚帖各一份，合寫男女籍貫、生年月日時辰及父上三代。聘物是一件玉器，一件小金如意（正式行聘時無如意，改兩方玉珮，一紅一綠）。媒人梁家請了曾任司法部司長的書法家林宰平，庚帖也請他繕書。梁啟超二夫人王桂荃又請人選定陽曆十二月十八日為吉日，那天梁啟超因京城風潮未息，又顧慮養病期間不勝勞累，於是委託梁思成二叔代為主持儀式。清晨告廟謁祖，中午大宴賓客，晚上家族歡聚。梁啟超將天津雙濤園的家裡也小小裝點了一番，和一群孩子嬉戲熱鬧了半天。他將事先撰寫的《告廟文》寄往美國，囑咐思成夫婦好好收藏紀念。
遵照梁啟超吩咐，林徽因和梁思成的結婚大禮三個月後在加拿大首都渥太華舉辦。他們選定三月二十一日，為的是紀念宋代建築家李誡。這一天是宋代李誡碑刻上留存的日期，也是關於李誡資料中唯一的日期。幾年後他們的新生男孩又取名「從誡」。
曾經阻撓婚姻的梁思順倒成了婚禮操辦人，她丈夫周國賢正擔任中國駐加拿大總領事。他們沒有按梁啟超的意思在教堂行儀，而是將婚禮改到了總領事館。縱然林徽因受了近四年美國文明的熏陶，看上去似乎相當洋氣，可她的骨子裡卻仍流淌著中國血脈。在人生這一重大時刻，她的思緒在遙遠的故國。她不願穿一身白紗，照行完全西化的婚禮。渥太華找不著鮮紅的鳳冠霞帔，她自己縫製了一套東方色彩的婚服，領口袖口都配上寬條彩邊。婚禮上，她就穿著這套衣服，頭戴飾有嵌珠的頭飾，左右垂下兩條彩緞。參加婚禮的記者把梁林結婚照登上報紙，引起了當地一陣轟動。
梁啟超寫信給新婚夫婦：「你們結婚後，我有兩件新希望：頭一件你們倆體質都不甚好，希望因生理變化作用，在將來健康上開一新紀元。第二件你們倆從前都有小孩子脾氣，愛吵嘴，現在完全成人了，希望全變成大人樣子，處處互相體貼，造成終身和睦安樂的基礎。」父親的可憐之心很是感人，這些話並不是多慮。儘管，林徽因好使性子而梁思成善於隱忍，親戚戲稱思成「煙囪」，但是煙囪偶爾堵塞，便起了爭執。如有傭人在旁邊，則用英語交鋒。一九三六年初那次，梁思成林徽因夫婦發生過一次激烈爭吵，梁思成隨即乘火車南下上海辦事，林徽因在家傷心痛哭了二十四小時，中間只睡過三四個鐘頭。沒想到梁思成在火車上連發兩個電報，同時還寄來了一封信。林徽因對此的體會是：「在夫婦中間為著相愛糾紛自然痛苦，不過那種痛苦也是夾著極端豐富的幸福在內的。」他們爭吵，因為彼此在乎。林徽因認為，「冷漠不關心的夫婦結合才是真正的悲劇。」（致沈從文信）抗戰勝利喜訊傳來的時刻，梁思成正獨自在重慶辦事，他很為不能在家裡與妻子共享這巨大的喜悅而感到寂寞。
梁思成在林徽因心目中終究是位溫和的君子，他對林徽因關愛無比，兩人精神上亦息息相通。有人懷疑問道：「梁（思成）是否真正愛著自己的妻子林徽因呢？」進而臆測：「梁思成與林徽因看起來郎才女貌十分般配，實際上樑與林的婚姻本質上極為不幸。」（苗雪原文《傷感的旅途》）這話有點無事生非，有點似夢鄉囈語，林徽因徒具其「女貌」了。梁思成、林徽因的婚姻與悲劇無緣，即使在日常生活中，他們也充滿了情趣。有時夫婦倆比記憶，互相考測，哪座雕塑原座何處石窟、哪行詩句出自誰的詩集，那甜美的家庭文化氛圍總會令人產生李清照、趙明誠在世的感受。民國時期文人中流行著一句俏皮話：「文章是自己的好，老婆是人家的好。」梁思成將其改成「文章是老婆的好，老婆是自己的好」，也在朋友中流傳。誠然，兩人結伴一生難免齟齬，也起過波折，但不論一帆風順還是困頓顛躓，哪怕落在極度艱苦的境地，梁、林夫婦都始終相扶相攜，相濡以沫。林徽因自嘲兩人是一對「難夫難婦」。最後，「難夫」把「難婦」送到了她的人生終點，留下了國人稱頌不已的佳話。
一九二四年林徽因考取了半官費留學，與因車禍耽擱一年的梁思成，雙雙於六月起程往美國就讀賓夕法尼亞大學，同行的還有陳植。陳是陳叔通的侄兒，也去學建築，後來成梁、林的終生摯友。海船一路風浪，七月六日抵達彼岸紐約綺色佳（Ithaca）的康乃爾大學（ellUy），他們先在這裡利用暑假補習幾門課程。林徽因選修「戶外寫生」和「高等代數」，梁思成除「戶外寫生」外還選了「三角」與「水彩靜物畫」。九月正式入讀費城（PhiIadeIphia）賓州大學（UyofPennsyIvania），林徽因沒有如願到建築系，那時建築系不收女學生，因為她們學此專業有諸多不便。林徽因只得落在美術系，但她一入學就上了三年級。那時，她的註冊英文名字叫菲莉斯（LinPhyllisWhei-Yin）。幸好美術系和建築系同屬美術學院，加上樑思成在建築系，林徽因就不太困難地旁聽了建築課程。
林徽因的天性，以及此前有過的一年多的英國生活使她便很快融入了異國的校園，她成為中國留學生學生會裡社會委員會的委員。美術系三年級共有四名學生，林徽因與伊麗莎白?蘇特羅（Elizabethsutro）友誼最深，她經常到蘇特羅父母家裡作客。蘇特羅晚年依然清晰地記得，林徽因「是一位高雅的、可愛的姑娘，像一件精美的瓷器……而且她具有一種優雅的幽默感。」
另外一位美國同學比斯林在當時的地方報紙上對林徽因有過生動報道：
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，當它同其它三十到四十張習題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地矜持。」
「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。」
（《中國姑娘將自己獻身於拯救她的祖國的藝術》，刊一九二六年一月十七日《蒙塔那報》）
林徽因聰明絕倫，在大學生的聖誕卡設計競賽中獲獎。那是用點彩技法畫的一幅聖母像，大有中世紀歐洲聖母像的蒼古感，這件珍貴的文物至今保存在學校的檔案館中。她用兩年時間，如期取得了美術學士學位，又作為建築系旁聽生，竟然不到兩年就受聘擔任建築設計教師助理，不久更成為這門課程的輔導教師。梁啟超為孩子們寄來了國內新發現的古籍《營造法式》，它是宋代李誡所著。父親的關懷無疑對兩個年輕人樹立起獻身中國建築史研究的決心起到了不小的促進作用。
那幾年留美中國學生興起了演戲風，他們用的是中國的劇情，英語的對白。在《琵琶記》里，梁實秋飾蔡中郎，謝文秋飾趙五娘，冰心飾牛小姐，顧一樵飾牛丞相。余上沅、聞一多他們還醞釀成立「中華戲劇改進社」。曾經飾演過齊特拉公主的林徽因自然是大家發展入社的目標。余上沅給胡適的信里提到：「近來在美國的戲劇同志，已經組織了一個中華戲劇改進社，社員有林徽音、梁思成、梁實秋、顧一樵、瞿士英、張嘉鑄、熊佛西、熊正瑾等十餘人，分頭用功，希望將來有一些貢獻。」（《胡適來往書信選》）朱湘給聞一多的信，進一步發揮他詩人的想像，期望聞一多學成回到國內，辦一所無門戶之見的藝術大學：「有梁思成君建築校舍，有駱啟榮君擔任雕刻，有吾兄（按，指聞一多）濡寫壁畫，有餘上沅、趙太侔君開辦劇院，又有園亭池沼花卉草木以培郭沫若兄之詩思，以逗林徽因女士之清歌，而郁達夫兄年來之悲苦得藉此消失。」（見《聞一多年譜》）林徽因留學時期的業餘戲劇活動，顯然是她獲得學士證書後進入耶魯大學戲劇學院的重要誘因。她在著名的G.P.帕克教授工作室學習，成為我國第一個在國外學習現代舞台美術的學生。她的天賦及美術和建築的