任鴻雋、胡適很欣賞並器重陳衡哲的文筆，並經常請陳衡哲為季報寫些文章。從此，他們三人之間建立了聯繫。1915年10月，任鴻雋帶頭成立中國科學社時，也介紹陳衡哲加入其中。不過當時他們還只是書信來往，沒有機會見面。
陳衡哲當時寫了很多白話詩和白話小說，這些白話作品也使得胡適感覺找到了自己的紅顏知己。在半年的時間裡面，胡適跟陳衡哲通了四十幾封信。兩人雖漸生情愫，但卻僅僅是“發乎情而止乎禮”。因為胡適知道任鴻雋也喜歡陳衡哲，並在追求她。
當然，注重名聲、珍惜羽毛的胡適斷不會做出奪友所愛的事，雖然他也知道陳衡哲愛的或許是自己。再加上，胡適在國內的母親和未婚妻江冬秀正在頻頻逼婚。他的母親更是放出風聲，倘若胡適另娶則以死相抗，善良的胡適也不敢造次。就在陳衡哲滿心歡喜的以為能和胡適走到一起的時候，1917年的夏天，胡適卻不得不回老家與江冬秀辦婚事。
此時，已經獲得哥倫比亞大學化學碩士學位的任鴻雋也於1918年10月回國了，陳衡哲便一個人孤獨的繼續完成自己的學業。回國後，任鴻雋並不急於參加工作，而是立志用一至兩年時間進行社會調查，以觀國中局勢。在上海期間，他經常造訪孫中山。當時孫中山正在撰寫《孫文學說》，於是就將涉及科學部分囑託給任鴻雋校讀，併力言留學生應自有組織以圖於國家有所貢獻。任鴻雋向孫中山彙報了科學社的組織情況，孫中山表示很贊同。其後，科學社事業得到國民政府多次資助，對其發展壯大起了很積極的作用。
1919年冬，為了在四川籌辦鋼廠，任鴻雋前往美國，考察美國的鋼鐵產業。同時也向自己喜歡了多年的陳衡哲求婚，這種誠意感動了陳衡哲。於是，兩人在美國定下了婚姻之約。當時，任鴻雋向陳衡哲表達了兩個願望，一是他對自己的舊家庭實在不滿意，所以希望兩人婚後單獨組織一個新的小家庭，好實現今後的夢想。二是因為他深信陳衡哲的文學天賦，也想要為她預備一個清靜安閒的小家庭，可以使得陳衡哲一心一意的去挖掘自己的天才。
於是，1920年暑假期間，陳衡哲完成學業後，兩人便回國了。任鴻雋被北大校長蔡元培聘任為化學系教授，陳衡哲被聘為北大歷史系教授。同年9月27日，兩人終於結成連理。從朋友變成夫妻，婚後兩人相敬如賓，日子過得算是滋潤。儘管失去藍顏知己胡適，但上天卻賜給了陳衡哲一個近乎完美的丈夫。
1921年7月，任鴻雋與陳衡哲生了一個女兒。同年8月，胡適的妻子江冬秀也生了個女兒。胡適按著陳衡哲的筆名“莎菲”的諧音為女兒取名為素斐，不能不說這是在某種意義上對陳衡哲的一種紀念。1925年，胡適的愛女素斐因病夭折，陳衡哲為了安慰胡適，還把自己的女兒給胡適做了乾女兒。當然，這一切，任鴻雋也是明白人，但從不介意，因為他們三個時非常要好的朋友。
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