１９２４年６月初，也就是陪伴诗人泰戈尔中国之行的那一年，虽然历经了许多的风波，许多的考验，但是林徽因都安然地走来，一样美丽，一样聪颖。作为一个学生，学习才是正业，这不仅是林徽因自己心中所想，也是梁思成及其父亲梁启超的打算。因而，林徽因和梁思成前往美国留学，３年间，二人的感情自不必说，这样地用心磨合一点一滴积累起来的感情自然经得起反复推敲和多方考验。
这一年，林徽因２０岁，梁思成２３岁。７月的美国，阳光明丽，空气清爽。林徽因和梁思成到了风景秀丽的康奈尔大学，利用暑假的时间补习功课，调整身心，适应新的环境。他们准备９月份再到宾夕法尼亚大学建筑系注册。与林徽因、梁思成一同到美国的还有梁思成的清华同窗好友陈植，也准备学习建筑。７月７日，梁思成给北京的亲人写信。他告诉父亲自己和林徽因已经按预定计划在康奈尔大学安顿下来，开始了功课补习。林徽因选了户外写生和高等代数两门课程，自己选了三角、水彩静物和户外写生三门课程。他告诉父亲：“这里山明水秀，风景美极了！”
他们租住的公寓有个小小的阳台，黑色的雕花铁栏呈半圆形。站在那个小阳台上，可以眺望绿色的山谷和明亮的河水。白天，他们背着画夹出去写生，盛夏的太阳和新鲜的空气沐浴着他们。傍晚回到宿舍，他们喜欢舒展四肢倚在阳台上聊天、看书，一直到绚丽的夕阳渐渐被暗下来的山谷吞没。
他们自己预修一些学分后，到宾夕法尼亚大学直升建筑系二年级。康奈尔是美国东部常春藤名校，依山傍水，景色秀美。梁思成在给家里的信中说“这里山明水秀，美如仙境”。他的学习自然十分用功，但却又遇到了难以排解的苦恼。此时，梁思成不时收到姐姐梁思顺的来信，信中谈到她与母亲怎么反感林徽因，坚决反对他们俩结婚。她们的态度十分坚决，让梁思成异常苦恼。梁启超也感到了事态的严重，他说：“这是思成一生幸福的关键所在，我几个月前就很怕思成因此生出精神异动，毁掉了这孩子。”
对此，林徽因自然感到非常委屈，觉得自己并没有做错。虽然是身正不怕影子斜，但这些事还是让她精神忧郁，以至于生病。好在梁思成明白事理，懂得林徽因的苦衷，还十分体贴，这让林徽因感到欣慰，认为自己并没有选错人。但是，夹在中间的梁思成担心母亲和姐姐不能听从劝告，难以转变对林徽因的态度，这让他深感苦恼。他在给姐姐的信中说：“感觉着做多少事，便受多少惩罚，非受完了不会转过来。”
还好，这时也在美国留学的弟弟梁思永颇为理解他们。他一再写信给姐姐梁思顺，要她理解林徽因，还写信给父亲，恳求他劝说姐姐和母亲。因而，到了１９２５年４月，梁思顺对林徽因的态度有所改变，甚至“感情完全恢复”。梁启超知道后，非常高兴。
这时，又一件坏消息传到美国。梁思成母亲的癌症到了晚期，家里已经开始为她准备后事。梁启超发电报给梁思成，要他回国尽一个儿子应尽的义务。但梁思成刚入学不久，一切都还没有头绪，难以确定何时动身。由此以来，他和林徽因终日黯然神伤，内心十分痛苦。
一个多月的补习时间很快就过去了，当林徽因、梁思成和陈植三人来到位于费城的宾夕法尼亚大学建筑系报到时，他们却听到一个令人不安的消息，校方告知他们：为了便于学校的管理，建筑系只收男生，不收女生。学校的管理者认为，建筑系的学生经常须在夜里作图画画，而一个女生深夜待在画室是很不适当的。林徽因没有办法，只好和其他女生一起在美术系注册。本来是林徽因一直想上建筑系，才拉着思成和他们的朋友陈植来到宾大，结果她自己反而上不了，这让林徽因感到懊恼。
事实上，她并不肯就此妥协。大档案显示，自１９２６年春季班开始，林徽因己是建筑系设计课的助理，而下学期又当上了建筑设计课的辅导员。她究竟是怎么办到的？林徽因和梁思成商量后，改报了宾大美术系，同时选修了建筑系的主要课程。１９２４年９月，梁思成和林徽因进入美国宾州费城的宾夕法尼亚大学学习。２０年代的宾大建筑系是艺术的堡垒，坐镇的是系主任、法国著名建筑师克雷（Ｐａｕｌ Ｐ．Ｃｒｅｔ），这位著名的建筑师把他的一生所学传授给了他的美国学生。
如何打破宾夕法尼亚大学的规定，这点不得而知。反正从第一年开始，林徽因就和梁思成一起开始上建筑课了。建筑系的一位年轻讲师，日后成为著名建筑师的哈贝森，曾经夸奖他俩的建筑图作业简直“无懈可击”。上大学的头一年，梁思成和林徽因之间经历了一番感情的挣扎，有时甚至爆发激烈的争吵。他们俩的个性和脾气差异比较大，在婚前的这段时期，彼此仍有待调适。
在美国同学眼里，中国来的留学生多半刻板、僵化。而“菲丽丝”（这里的人都这么叫林徽因）除外。她有着异乎寻常的美貌，活泼和机灵，说一口流利的英语，而且又天生善于交际，因而得到大家的喜爱。在学习上，林徽因虽说早就立志学习建筑，但她在绘画、制图方面并没有什么基础，不像梁思成，毕竟还有清华美术社的底子，林徽因几乎是从头学起。但林徽因悟性极强，与生俱来的艺术气质使她对线与型的把握带有鲜明的个性特征，教绘画的老师对她的这种能力十分赞赏。
但是梁思成真的是那么刻板、死硬吗？毫无疑问，他是一个严肃用功的学生，他一辈子都是如此，这是他的天性。在梁思成的心目中，他和林徽因是一种“没有正式订婚的亲密关系，觉得对她有责任而想管管她”。但林徽因在美国的文化环境中如鱼得水，她正在充分享受美国的自由，在男女同学里受到的欢迎真是令人陶醉，所以当梁思成因为爱她，有时想约束一下她时，林徽因常常付之一笑，但梁思成对林徽因非常体贴，而且很有耐心。每次约会，梁思成都要在女生宿舍下面等二三十分钟，林徽因才打扮好，姗姗地下楼来。因而，梁思永曾为他们撰写了一副对联：“林小姐千装万扮始出来；梁公子一等再等终成配。”横幅是“诚心诚意”。
不过，他们还是尽量在不压抑自己个性的条件下，相互容让和妥协。大学时代，他们性格上的差异从工作态度上便可看出。满脑子都是创意的林徽因，常常先画出一张草图或建筑图样。然后一边做，一边修正或改进，而一旦有了更好的点子，前面的便一股脑儿丢开，等到交图的最后期限将到，即使在画图板前不眠不休赶工也来不及了，这时候梁思成就插进来，以他那准确和熟练的绘图功夫，把那乱七八糟的草图变成一张整洁、漂亮，能够交卷的作品。他们俩合作无间，各为建筑贡献出自己的特殊天赋。
对于林徽因在宾大学习生活的其他细节，我们可以从她的一位美国同学写的一篇文章中了解一二。在１９２６年１月１７日，比林斯给她的家乡《蒙塔纳报》写了一篇访问记，记述了林徽因在宾大时期的学生生活：
“她坐在靠近窗户能够俯视校园中一条小径的椅子上，俯身向一张绘图桌，她那瘦削的身影匍匐在那巨大的建筑习题上。当它同其他３０到４０张习题纸一起挂在巨大的判分室的墙上时，将会获得很高的奖赏。这样说并非捕风捉影，因为她的作业总是得到最高的分数或是偶尔得第二。她不苟言笑，幽默而谦逊，从不把自己的成就挂在嘴边。”
“我曾跟着父亲走遍了欧洲。在旅途中我第一次产生了学习建筑的梦想。现代西方的古典建筑启发了我，使我充满了要带一些回国的欲望。我们需要一种能使建筑物数百年不朽的良好建筑理论。”
“然后我就在英国上了中学。英国女孩子并不像美国女孩子那样一上来就这么友好。她们的传统似乎使得她们变得那么不自然的矜持。”
“对于美国女孩子——那些小野鸭子们你怎么看？”
回答是轻轻一笑。她的面颊上显现出一对色彩美妙的、浅浅的酒窝，细细的眉毛抬向她那严格按照女大学生式样梳成的云鬓。
“开始我的姑姑阿姨们不肯让我到美国来。她们怕那些小野鸭子，也怕我受她们的影响，也变成像她们一样。我得承认刚开始的时候我认为她们很傻，但是后来当你已看透了表面的时候，你就会发现她们是世界上最好的伴侣。在中国一个女孩子的价值完全取决于她的家庭，而在这里，有一种我所喜欢的民主精神。”
可以说，美国民主、自由的文化环境让林徽因感到了舒畅、幸福。她在这样的环境里，尽情的施展自己的个性，挥洒自己的才华。
林徽因学习是努力的，梁思成无言却无处不在地关心也时刻温暖着她。但这种学习生活并不能使她感到满足，毕竟美国文化和中国文化有着巨大的差异，毕竟基础学科的训练是刻板而近乎枯燥的。她怀恋自幼浸濡其中、充满艺术氛围的生活，每当奔走在美术教室和建筑教室之间时，每当节假日美国的同学都外出度假或回家时，她就会抑制不住地想家、想北京、想父亲和娘，想互相有说不完私房话的表姐妹们，还想新月社的友人。她写给国内亲友的信，流露了这种感情。
所以在其间有这样一则趣闻。有一天，林徽因突然给徐志摩写了一封信，在给徐志摩的信中，林徽因写道：“……我的朋友，我不要求你做别的什么，只求你给我个快信，单说你一切平安，多少也叫我心安……”于是徐志摩花了一个晚上赶写，第二天一大早就去发电报，等到了邮局，有人告诉他，已经有４个人给这位密斯林发电报了，徐志摩拿来一看，原来都是留学时熟识的朋友，其实这是林徽因开的一个玩笑。