1912年，辛亥革命后，梁思成随父母从日本回国，在北京崇德国小及汇文中学（1912-1914）就学。1915年，入北平清华学校（清华大学前身），1923年毕业于清华学校高等科。1924年，和林徽因一起赴美国费城宾州大学建筑系学习，1927年获得学士和硕士学位，又去哈佛大学学习建筑史，研究中国古代建筑（肄业）。
1928年3月21日， 梁思成与林徽因在加拿大渥太华的中国总领事馆举行婚礼。之后赴欧洲参观古建筑，8月18日回国后，在沈阳东北大学任教，创立了中国现代教育史上第一个建筑学系。1929年8月，林徽因从东北回到北平（今北京市），在协和医院生下女儿，取名梁再冰，意为纪念已故父亲梁启超“饮冰室”书房雅号。
1930年，和张锐参与天津市规划，以《天津特别市物质建设方案》获奖。
抗日战争期间
931年，回到北平，进入中国营造学社工作（任法式部主任）。
1932年，主持了故宫文渊阁的修复工程。同年，著成《清式营造则例》手稿。
1937，和林徽因等人先后踏遍中国十五省二百多个县，测绘和拍摄二千多件唐、宋、辽、金、元、明、清各代保留下来的古建筑遗物，包括天津蓟县辽代建筑独乐寺观音阁、宝坻辽代建筑广济寺、河北正定辽代建筑隆兴寺、山西辽代应县木塔、大同辽代寺庙群华严寺和善化寺、河北赵州隋朝建造的安济桥等。这些重大考察结果，写成文章在国外发表，引起国际上对这些文物的重视，为梁思成日后注释《营造法式》和编写《中国建筑史》，准备良好的基础。
1944至1945年，梁思成任教育部战区文物保存委员会副主任。
解放战争期间
1946年，梁思成赴美国讲学，受聘美国耶鲁大学教授，并担任联合国大厦设计顾问建筑师。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。
1948年，在平津战役前，梁思成绘制了《全国文物古建筑目录》，交给中国人民解放军，使北平古迹避免受到炮击，很好的保护了北京的文物和古城墙。
中华人民共和国时期
1950年初，梁思成与都市计划委员会的陈占祥一起向政府提出了新北京城的规划方案---《关于中央人民政府行政中心位置的建议》。主张保护北京古建筑和城墙，建议在西郊建新北京，保护旧北京城，不在旧城建高层建筑，但建议没有被采纳。之后他多次上书，挽救了北海的团城。
1953年5月，北京市开始酝酿拆除牌楼，对古建筑的大规模拆除开始蔓延。梁思成因提倡以传统形式保护北京古城而多次遭到批判。时任北京市副市长吴晗担任解释拆除工作的任务，为了挽救四朝古都仅存的完整牌楼街不因政治因素毁于一旦，梁思成与吴晗发生了激烈的争论。之后，在文化部举办的文物界知名人士欧美同学聚餐会上，林徽因也与吴晗发生了一次面对面的冲突。
1962年，在林徽因病逝七年之后，梁思成娶了比自己小27岁的林洙（程应铨前妻）。
1972年1月9日，梁思成病逝于北京。
