1927年，以优异成绩获得宾夕法尼亚大学研究院建筑硕士学位。接着他到美国哈佛大学研究生院学习(肄业)，准备进行“中国宫室史”的博士论文，但是他感到研究工作不能光在书本中寻找资料而必须到实践中去考察研究，于是决定离开哈佛到欧洲考察建筑。

1928年春，梁思成与林徽因在加拿大温哥华结婚，接着到南欧结婚旅行并观摩各地建筑和美术半年才回国任职。1928年，梁思成回国后应东北大学之邀去沈阳创办了建筑系，任系主任和教授(1928—1931年)。1931—1946年任中国营造学社法式组主任，中央研究院历史语言研究所通讯研究员及兼任研究员。

1944 —1945年任教育部战区文物保存委员会副主任。946年，梁思成赴美国讲学，受聘美国耶鲁大学教授，联合国大厦设计顾问建筑师(1946—1947年)，因他在中国古代建筑的研究上做出了杰出的贡献，被美国普林斯顿大学授予名誉文学博士学位。

同年，梁思成回到母校清华大学创办了建筑系，任清华大学建筑系主任(1946—1972年)。1947年，被中国政府派往美国担任联合国大厦设计顾问团的中国顾问。1948年，被选为中央研究院院士。1959年梁思成加入中国共产党。1962年与林洙结婚。1972年1月9日逝世于首都北京。