梁思成的父亲梁启超，是清末改革家，为躲避清政府迫害而出国，所以梁思成出生于日本东京。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）。
梁思成在宾夕法尼亚大学的学籍卡
中国留学生在宾大,前排左一为梁思成,左二为林徽因
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。
从1937年起，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。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。
1936年五月梁思成、林徽因在考察河南洛阳龙门石窟途中
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。
中华人民共和国成立后，梁思成除了仍在清华大学任教授和建筑系主任外，还先后担任了北京市都市计划委员会副主任、中国建筑学会副理事长、北京市城市建设委员会副主任等职。
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。
他们对中国建筑最大的贡献，还是那种为保护古建和修缮古建而亡命的精神。梁林二人保护的，远不是古建，而是鲜活的建筑历史、沉淀的建筑知识与人文的建筑情怀。
梁思成在测绘善化寺普贤阁斗拱后尾时留影
林徽因在正定开元寺钟楼梁上