1904年6月出生于浙江杭州，随祖父母居住；5岁，由大姑母林泽民授课发蒙；8岁，移居上海，入虹口爱国小学学习。

1916年，因父在北洋政府任职，举家迁往北京，就读于英国教会办的北京培华女中。

1920年4月，随父游历欧洲，在伦敦受到房东女建筑师影响，立下了攻读建筑学的志向。在此期间，她还结识了父亲的弟子诗人徐志摩，对新诗产生浓厚兴趣。

1921年，随父回国，仍到培华女中续学。

1923年，徐志摩、胡适等人在北京成立新月社，林徽因常常参加新月社举办的文艺活动，曾登台演出印度诗人泰戈尔的诗剧《齐德拉》，饰演主角齐德拉公主，台词全用英语。她流利的英语和俊秀的扮相，在文艺界留下深刻印象。

1924年6月，林徽因和梁启超的长子梁思成，同时赴美攻读建筑学。

从1930年到1945年，梁思成林徽因夫妇二人共同走了中国的15个省，190多个县，考察测绘了2738处古建筑物，很多古建筑就是通过他们的考察得到了世界、全国的认识，从此加以保护。比如像河北赵州大石桥、武义延福寺、山西的应县木塔、五台山佛光寺等。也正是由于在山西的数次古建筑考察，使梁思成破解了中国古建筑结构的奥秘，完成了对《营造法式》这部天书的解读。