1924年6月，梁思成和林徽因都考取了赴美國官費留學。
這一年，林徽因二十歲，梁思成二十三歲。他們先是一起赴美國的康奈爾大學讀預科班，然後前往費城的賓夕法尼亞大學攻讀建築學專業。
梁思成順利地進入了建築係學習。林徽因報到時卻遇到意外，校方告知她：建築係隻收男生，不收女生。因為校方認為建築係的學生經常須在夜裏作圖畫畫，而一個女生深夜待在畫室是很不適當的。因此建築係不招收女生。林徽因隻得和美國女學生一樣，報的是美術係，選修建築課程。賓大美術學院教學方式獨特，學院有一個設備齊全的工作室，學生可以隨時進去設計自己的作品。
賓夕法尼亞大學創立於18世紀，屬於常春藤大學聯盟，這所大學的學術風氣十分濃厚，曆任校長思想活躍，研究院辦得也很出色。梁思成就讀的建築學研究院，是尤其出色的一所。不上課的時候，林徽因、梁思成便約了早一年到賓大的陳植，去校外郊遊散步。有時，他們也散步到栗樹山一帶，那裏到處是漂亮的宅邸，樹木繁茂，環境幽雅，那是富人的居住區。興致好的時候，他們便坐車子到蒙哥馬利、切斯特和葛底斯堡等郊縣去，看福穀和白蘭地韋恩戰場，拉德諾狩獵場和長木公園。
據林徽因的好友費慰梅描述：大學時代，美國學生多認為中國學生十分刻板和僵硬，林徽因卻是個例外。林徽因異乎尋常的美麗，聰明活潑，說一口流利的英語，善於和周圍的人搞好關係。陳植常在大學合唱俱樂部裏唱歌，愛開玩笑，幽默活潑，也是最受歡迎的男生。而梁思成則是一個嚴肅用功的學生。生性浪漫的林徽因，滿腦子創造性，常常先畫出一張草圖或建築圖樣，隨著工作的進展，就會提出並采納各種修正或改進的建議，這些草圖或建築圖欄又由於更好的意見的提出而被丟棄。當交圖的最後限期快到的時候，就是在畫圖板前加班加點拚命趕工也交不上所要求的齊齊整整的設計圖定稿了。這時候梁思成就參加進來，以準確和漂亮的繪圖功夫，把那亂七八糟的草圖變成一張清楚整齊能夠交卷的成品，使得林徽因對他既敬佩又感激。
梁思成雖然學的是建築專業，但他在音樂和繪畫方麵都有很好的修養。賓大要求學生自己設計作品，他的第一件作品便是給林徽因做了麵仿古銅鏡。那是用一個現代的圓玻璃鏡麵，鑲嵌在仿古銅鏡裏合成的。銅鏡正中刻著兩個雲岡石窟中的飛天浮雕，飛天的外圍是一圈卷草花紋，花環與飛天組合成完美的圓形圖案。圖案中間刻著一行字：“徽因自鑒之用，思成自鐫並鑄，喻其晶瑩不玨也。”林徽因驚奇地讚歎著：“這件假古董簡直可以亂真啦！”
梁思成告訴她：“做好以後，我拿去讓美術係研究東方美術史的教授鑒定這個鏡子的年代。他不懂中文，翻過來正過去看了半天，說從來沒見過這麽厚的銅鏡，從圖案看，好像是北魏的，可這上麵的文字又不像。最後我告訴教授，這是我的手藝。教授大笑，連說Hey！mischievousimp！（淘氣包）”
林徽因聽了，不禁笑得前仰後合。沒想到，這個謙謙君子還會這樣調皮！
入校不到一個月，梁思成的母親患癌病逝。梁林二人此時剛剛入校，一切尚未就緒，梁啟超再三致電不讓思成回國奔喪，隻讓思永一人回去了。梁思成悲痛欲絕，林徽因便同他在校園後邊的山坡上搞了一次小小的祭奠。梁思成焚燒了他寫給母親的祭文，林徽因采來鮮花綠草編織成花環，朝著家鄉的方向掛在鬆枝上。
母親去世後不久，梁思成接到父親的信，信中講到林徽因的父親林長民要去奉軍郭鬆齡部做幕府，他不聽朋友勸阻，亂世之中安危莫測。這時，林徽因想起父親也好久沒有來信了，開始擔心起來。
每天，當去取信的梁思成兩手空空回來時，她心頭感到了失望和恐慌。令人憂心的消息不斷從大洋彼岸傳來。報上有消息說：郭鬆齡在灤州召集部將會議，起事倒戈反奉，通電張作霖下野，並遣兵出關。又有消息說：郭軍在沈陽西南新民屯失利，郭部全軍覆沒。
後來，憂心如焚的林徽因終於盼到了家書。信是梁啟超寫給思成的：
我現在總還存萬一的希冀，他能在亂軍中逃命出來。萬一這種希望得不著，我有些話切實囑咐你。
第一，你要自己十分鎮靜，不可因刺激太劇，致傷自己的身體。因為一年以來，我對於你的身體始終沒有放心，直到你到阿圖利後，姐姐來信，我才算沒有什麽掛念。現在又要掛起來了，你不要令萬裏外的老父為著你寢食不安，這是第一層。徽因遭此慘痛，唯一的伴侶，唯一的安慰，就隻靠你。你要自己鎮靜著，才能安慰她，這是第二層。
第二，這種消息，看來瞞不過徽因。萬一不幸，消息若確，我也無法用別的話解勸她，但你可以將我的話告訴她：我和林叔叔的關係，她是知道的，林叔的女兒，就是我的女兒，何況更加以你們兩個的關係。我從今以後，把她和思莊一樣看待，在無可慰藉之中，我願意她領受我這十二分的同情，度過她目前的苦境。她要鼓起勇氣，發揮她的天才，完成她的學問，將來和你共同努力，替中國藝術界有點貢獻，才不愧為林叔叔的好孩子。這些話你要用盡你的力量來開解她。
林徽因看了這封信，心情很是沉重。再沒有誰能比她更了解父親了。林長民性格開朗，不拘小節，但他是個充滿政治熱情的人。林徽因知道，依照父親的性格，他對認定了的事情，總是不遺餘力，更不會吝惜自己的生命。
往國內拍發的幾封電報，終於有了回音。那是一個令人心碎的消息。
梁啟超在信中說：
初二晨，得續電又複絕望。昨晚彼中脫難之人，到京麵述情形，希望全絕，今日已發表了。遭難情形，我也不必詳報，隻報告兩句話：（一）係中流彈而死，死時當無大痛苦。（二）遺骸已被焚燒，無從運回了。
徽因的娘，除自己悲痛外，最掛念的是徽因要急煞。我告訴她，我已經有很長的信給你們了。徽因好孩子，諒來還能信我的話。我問她還有什麽話要我轉告徽因沒有？她說：“沒有，隻有盼望徽因安命，自己保養身體，此時不必回國。”
我的話前兩封信都已說過了，現在也沒有別的話說，隻要你認真解慰便好了。
林徽因隻看完開頭幾行便昏倒了。一連幾天，她精神恍惚，眼前總是閃現著父親的影子，仿佛看到雪池胡同家中那兩棵栝樹，在料峭的寒風中顫抖。那個風流儒雅、以天下為己任的父親，那個慈愛溫和、博學多才的父親，難道從此從這個世界永遠消失了嗎？
不久，林徽因又接到了叔叔林天民的信和寄來的報紙。她從《京報》《益世報》《大公報》《盛京時報》等報刊上知道了父親亡故的詳細經過。
1925年，軍閥張作霖依靠日本政府的支持，兵分四路進攻北平，意欲打敗華北軍閥，自任總統，統治全中國。11月，郭鬆齡將軍向全國發表《反奉通電》：反對內戰，倡導和平；要求張作霖下野，懲辦內戰罪魁楊宇霆；改造東北，再造三省新局麵。這個愛國進步的通電，得到了中國共產黨、國民黨左派和一切進步團體以及各界群眾的熱烈歡迎。一時間，京津及全國各地，紛紛集會遊行、發表通電予以聲援。
不久，郭鬆齡將原奉軍第三方麵軍改稱東北國民軍，起兵反奉，打倒軍閥，製止內戰，誓死救國。林長民當時應邀參加郭鬆齡幕府，擔任政務處長。郭部開出十餘列火車向山海關進發。出關後，郭鬆齡部隊士氣旺盛，接連攻下山海關、連山和錦州，迅速擊潰遼西奉軍各部。張作霖手中無兵可援，惶惶準備下野。正在此時，日本公開武力幹涉，郭軍一度受阻。
12月21日，郭鬆齡在遼河兩岸的新民召開緊急軍事會議，決定當晚向張作霖的“討逆軍”發動總攻擊。兩個多小時激戰後，逼近張部指揮中心。由於張作霖得到日本政府的支持，調集大批部隊反攻，而郭部內部卻出現了叛徒，因而形勢急轉直下，郭軍節節潰敗。郭鬆齡見全線失利，遂宣告他率一部突圍，同夫人韓淑秀、幕府饒漢祥、林長民及衛隊乘馬車向錦州方向奔逃。在行至新民縣西南四十五華裏蘇家窩棚時，被奉軍王永清騎兵襲擊。郭鬆齡帶領衛隊進入村中，憑借村舍進行抵抗，衛隊死傷過半，和郭鬆齡同行的林長民中流彈身亡。後來又被誤認為是日本人而焚燒了屍體，歿年四十九歲。郭鬆齡夫婦藏於民家菜窖中，後被搜出押往遼中縣老達鎮，25日被押至距老達鎮五裏許的地方槍殺。
林徽因得此噩耗，悲痛萬分，泣不成聲。父親逝世，對於林徽因來說就整個天空的轟然倒塌，是她人生中遭受的第一次巨大打擊。林徽因與父親有著深厚的感情。她是父親最疼愛的孩子，她的一切都是父親賦予的。林長民曾經不無驕傲地對徐誌摩說過：“做一個有天才的女兒的父親，不是容易享的福，你得放低你天倫的輩分，先求做到友誼的了解。”林徽因和父親之間，既是父女，也是師友，更是知己。年僅四十九歲，那樣有生氣、有才幹的父親竟然就此撒手人寰，怎能不令人傷心欲絕？
此時，她還掛念著年邁多病的母親，掛念著幾個幼小的弟弟，她知道父親生前沒有多少積蓄，一家人的生計將難以維持。想到這些，她執意要回國。這時，遠在中國的梁啟超得知後，頻頻電函阻止，告訴她福建匪禍迭起，交通阻隔，回來會出意外。並告知她，家裏的事他可以幫著處理，不用她擔心。隻需她節哀，好好注意身體，繼續在美國求學。梁思成也一再勸阻，林徽因終於沒有回去。
後來，她又想回國考取清華官費或在美國停學打工一年，以解決留美經費問題，又一次受到梁啟超的勸阻。梁啟超寫信給梁思成說：“徽因留學總要以和你同時歸國為度，學費不成問題，隻算我多一個女兒在外留學便了。”幾天後梁啟超就致信問梁思成，林徽因留學費用還能支撐多少時間，囑他立刻回告，以便籌款及時寄到。當時，梁家的經濟也很困難，梁啟超準備動用股票利息解難。他早已把林徽因視為家庭的一員，對林徽因多了一份舐犢之情。同時，梁啟超在國內盡心地照顧著林長民的其他家眷。
那段時間，林徽因深陷喪父之痛，整日以淚洗麵，臥床不起。那些日子裏，她感到那些泛濫的黑白光影鋪滿了整個世界，濃重陰鬱的死亡氣息簡直令人窒息。她感到一種錐心的難受。陳舊發黃的畫麵鋪天蓋地地湧到她的腦子裏，一幀一幀都是時光的碎片，父親的身影，父親的笑容，父親的聲音，陪伴她兒時的記憶。
生命不過是滄海一粟，卻承載了太多的悲歡離合。如今，生命中最嗬護她的那一層保護外殼，帶著血和痛被無情地剝落了。她感到自己像一隻剛剛出殼的小雛雞，孤零零地站在這個世界上，嬌嫩而柔弱。
窗外，殘陽似血。梁思成來了，輕輕握住她的手，冰涼。她的手輕輕動了一下，感到了一絲暖意。這些天，他像一個沉默而忠誠的守護神，一直陪伴在她身邊。當她吃不下飯的時候，他就去學校的餐館燒了雞湯，一勺一勺喂她。
梁思成的體貼，讓仿佛身處懸崖上的林徽因產生一種深深的依賴。她仿佛感到自己從來沒有像今天這樣軟弱，這樣需要一個寬厚的肩膀來靠一靠。
她撲進梁思成的懷抱，無聲地哭了。
愛，既是花前月下的卿卿我我，兒女情長；更是患難中的彼此扶持和共同承擔。原本活潑快樂的林徽因開始沉靜下來，原本單純的目光裏多了些深沉與憂鬱。
後來，受邀前往賓大講演的老朋友胡適見到她，都忍不住歎息道：林徽因有了不小的變化，個子長高了點，看上去老成了許多。
是的，她在愛與痛中慢慢地成長、成熟。