1933年9月，林徽因再次走出她温馨的小屋，和梁思成、刘敦真、莫宗江等人一起，奔波在去山西大同考察的路上。生活一直极优裕的林家大小姐、梁家少奶奶，吃得苦来让人刮目，她跟着思成他们，忍受着蚊虫叮咬、烈日炙烤，爬上爬下，在陈年的积尘中，在炎炎的天气里，完成了对华严寺、善化寺和云龙石窟的测量、绘制和考察。
他们有了可喜的发现，如华严寺的大雄宝殿，是在已知的古代木建筑中体形最为巨大的。薄伽教藏则是公元1038年建成的佛经图书馆。又如善化寺的三圣殿，建成于公元1128到1143年。这些发现，对辽金建筑嬗变的研究，非常有价值。林徽因事后回顾起这一经历，她还不无兴奋地说，回想在大同善化寺暮色里面向着塑像瞠目结舌的情形，使我愉快得不愿忘记那一刹那人生稀有的，由审美本能所触发的锐感。
云龙石窟的精妙，更是让林徽因惊叹，在绵亘峭立的岩壁上，凿造龛像，建立寺宇，工程之浩大，非常人能想象。佛龛内，一尊尊精美的佛像等石雕艺术品，让这几个不远而来的考察者流连忘返，他们对石窟本身的布置、构造及年代，与敦煌、印度的差别，以及石窟中的石刻上所表现的北魏建筑物及建筑部分，和壁上云冈飞仙的雕刻、石刻中所有的雕饰花纹的题材、式样等等，进行了细细的研究，作出比较详尽的分类报告。他们还研究到石窟当时、历来及现在的附属木构部分。
他们的到来，在乡间引起轰动。且不说他们是从遥远北平来的人，皇城根下的呢。单单他们的行为，也叫乡人们兴奋莫名，怎么对着那些破房子和菩萨塑像又描又画的？那有什么好玩的？竟然还有个漂亮的女人同行，漂亮得像天外来客。这个女人穿着旗袍，也能麻利地爬上爬下，看到草丛里的碑碣，砖堆中菩萨的一双手，她会惊异得大呼小叫，——这真是顶有趣了。
于是，教书先生出来了。军队里兵卒拉着马过来了。几个女人手拉着手，娇羞地扭着身子站在一边。小孩子们更是争着挤着，看他们照相，拉皮尺量平面。有大胆的孩子，还会伸出小手，偷偷摸一摸林徽因的衣裳。林徽因冲他们和气地笑，小孩子们急急缩回手，激动得小脸通红。
天是透明的蓝，白云流转。小堡垒。村落。女人和孩子。挂着夕阳的一角庙，一座塔。在林徽因的眼里看过去，都是图画，美得使她心慌心痛。那些日子，在她，都是可以歌唱的古事。她和思成他们，看看这里是金元重修的，那里是明代重修的殿宇，讨论那式样做法的异处，塑像的神气，手续，直到天完全黑下来，嘴里面觉得渴了，肚子也唱起“空城计”，这才恍然记起，一天的日子，完完整整地就快结束了。晚上躺到床上，白天绮丽鲜明的印象，仍似挂眼前，引导着她做着种种适意的梦。
这次考察结束后，梁思成很快写出论文《云冈石窟中所表现的北魏建筑》，发表在1933年的第12期的《中国营造学社汇刊》上，在文章的最后，他对云冈石窟作了研究性总结：
云冈石窟乃西域印度佛教艺术大规模侵入中国的实证。但观其结果，在建筑上并未动摇中国基本结构。在雕刻上只强烈地触动了中国雕刻艺术的新创造，——其精神、气魄、格调，根本保持着中国固有的。而最后却在装饰花纹上，输给中国以大量的新题材、新变化、新刻法，散布流传直至今日，的确是个值得注意的现象。
林徽因说，我是没有出过门的，没有动身之前不容易动，走出来之后却就不知道如何流落才好。山西的乡野之中，处处埋藏着惊喜，她一挖一个，真不想离开。然北平的家中，诸多事务，等着她回去处理。她也想念她的一双娇儿。在完成了对龙门石窟的考察后，她不得不提前离开，返回北平。梁思成则去了应县，那里的佛宫寺有辽代木塔建筑。
没有徽因的陪同，大家都觉得工作缺少了什么。尤其是梁思成，他习惯了有徽因在，一个会心的微笑，静穆中，呼吸与呼吸缠绕，心与心融为一体，那一刻的感觉，就是让他们就做这样一对夫妻吧，天涯浪迹，你是风儿我是沙。
他频频给徽因写信：
你走后我们大感工作不灵，大家都用愉快的意思回忆和你各处同作的畅顺，悔惜你走得太早。我也因为想到我们和应县木塔特殊的关系，悔不把你硬留下同去瞻仰。家里放下许久实在不放心，事情是绝对没有办法，可恨。
又一封：
塔身之在，实在惊人。每面三开间，八面完全同样。我的第一个感触，便是可惜你不在此同我享此眼福，不然我真不知你要几体投地的倾倒！回想在大同善化寺暮色里面向着佛像瞪目咋舌的情形，使我愉快得不愿忘记那一刹那人生稀有的、由审美本能所触发的锐感。尤其是同几个兴趣同样的人，在一个时候浸在那锐感里边。
再一封：
离家已将一月却似更久。想北平正是秋高气爽的时候。非常想家！
……
这塔真是个独一无二的伟大作品。不见此塔，不知木构的可能性到了什么程度。我佩服极了，佩服建筑这塔的时代，和那时代里不知名的大建筑师，不知名的匠人。
野外测量，完全不是纸上来得这么轻松和诗意，因古建筑有些年久失修，踩上去极易倒塌，一些高的建筑，需要他们飞檐走壁。如应县的木塔，高达六十多米，要攀爬上去，有时要借助铁索，其危险系数之高，犹如走钢丝。梁思成曾遭受过车祸，腿部留下后遗症，右腿短了一截，不仅腿有点跛，也使他的脊椎弯曲，背部软弱无力，须穿一件钢背心支撑脊椎。尽管如此不便，他还极乐观地说，我的腿已有过厄运，所以可以不怕。
那日，他正爬到塔上，聚精会神地搞测量，突然间，狂风乱作，风雨雷电。他在信中，风趣地描绘给徽因听：
今天工作将完时，忽然来了一阵“不测的风云”。在天晴日美的下午五时前后狂风暴雨雷电交作。我们正在最上层梁架上，不由得不感到自身的危险。不单是在二百八十多尺高、将近千年的木架上，而且紧在塔顶铁质相轮之下，电母风伯不见得会讲特别交情。我们急着爬下，则见实测记录册子已被吹开，有一页已飞到栏杆上了。若再迟半秒钟，则十天的工作有全部损失的危险。我们追回那一页后，急步下楼——约五分钟——到了楼下，却已有一线骄阳，由蓝天云隙里射出，风雨雷电已全签了停战协定了。我抬头看塔仍然存在，庆祝它又避过了一次雷打的危险……
为着旁人难以理解的信念，他们就这么在岁月里同欢喜共悲切，彼此扶持，相互牵念，弹出一曲爱的绝唱。
1934年夏，林徽因和梁思成到了山西吕梁山区，足迹遍布文水、汾阳、孝义、介休、灵石、霍县、赵城等县，一路之上，吃得辛苦无数，山路跋涉，靠的全是双脚和坚强的毅力。恶劣的环境，跋涉的劳累，让林徽因的情绪变化很大，她诅咒糟糕的山路和天气，批评落后混乱的社会，谴责为了几多小钱就把寺院壁画撕下来卖给洋人的僧人。然一旦发现了珍贵的古建筑，她的喜悦，又比谁都强烈。
她就是这么一个喜与怒皆形于色的人，不藏不掖，率真坦诚。她身边的人，也都渐渐习惯了她那诗人的气质，越发爱她敬她。
整个山西之行，她和思成参诣了古构不下三四十处，随处遇见元明遗物，让她震动且欢喜。她写道：
进门只见瓦砾土丘，满目荒凉，中间天王殿遗址，隆起如冢，气象堂皇……更进又一土丘，当为原来前殿——中间露天趺坐两铁佛，中挟一无像大莲座；斜阳一瞥，奇趣动人，行人倦旅，至此几顿生妙悟，进入新境……更有铁佛三尊，趺坐慈静如前，东首一尊且低头前伛，现悯恻垂注之情。此时远山晚晴，天空如宇，两址反不殿而殿，严肃都丽，不藉梁栋丹青，朝拜者亦更沉默虔诚，不由自主了……
她写道：
夜宿村东门岳庙正殿廊下；庙本甚小，仅余一院一殿，正殿结构奇特，屋顶繁复做法，是我们在山西所见的庙宇中最甚的。小殿向着东门，在田野中间镇座，好像乡间新娘，满头花钿，正要回门的神气。
她写道：
北门桥上的铁牛，算是霍州一景，其实牛很平常，桥上栏杆则在建筑师的眼中，不但可算一景，简直可称一出喜剧。
桥五孔，是北方所常见的石桥，本无足怪。少见的是桥栏杆的雕刻，尤以望柱为甚。栏板的花纹，各个不同，或用莲花、如意、万字、钟、鼓等等纹样，刻工虽不精而布置尚可，可称粗枝大叶的石刻。至于望柱柱头上的雕饰，则动植物、博古、几何形无所不有，个个不同，没有重复，其中如猴子、人手、鼓、瓶……以及许多无名的怪形体，粗糙胪列，如同儿戏，无一不足，令人发笑。