林徽因的祖父是林孝恂，進士出身，歷官浙江金華、孝豐等地。父林長民畢業於日本早稻田大學，擅詩文，工書法，曾任北洋政府司法總長等職。叔叔林覺民。1904年6月出生於浙江杭州，隨祖父母居住；5歲，由大姑母林澤民授課發矇；8歲，移居上海，入虹口愛國小學學習。
1916年，因父在北洋政府任職，舉家遷往北京，就讀於英國教會辦的北京培華女中。
1920年4月，隨父遊歷歐洲，在倫敦受到房東女建築師影響，立下了攻讀建築學的志向。在此期間，她還結識了父親的弟子詩人徐志摩，對新詩產生濃厚興趣。1921年，隨父回國，仍到培華女中續學。
1923年，徐志摩、胡適等人在北京成立新月社，林徽因常常參加新月社舉辦的文藝活動，曾登臺演出印度詩人泰戈爾的詩劇《齊德拉》，飾演主角齊德拉公主，臺詞全用英語。她流利的英語和俊秀的扮相，在文藝界留下深刻印象。
1924年6月，林徽因和梁啟超長子梁思成同時赴美攻讀建築學。1924年9月，兩人一起進入賓夕法尼亞大學美術學院學習，均從三年級課程讀起。梁思成在美術學院建築系，因建築系不收女生，林徽因即註冊在美術系，林徽因註冊的英文名字是Lin Phyllis Whei-Yin。 但是她仍選修了建築系的主要課程，實現了自己的志願。
1927年夏，從美術學院畢業後，又入耶魯大學戲劇學院學習舞臺美術設計半年。
1928年春，她同梁思成結婚。1937年夏，她在山西五臺山地區發現中國最古老的一座木結構建築--建於唐代的佛光寺大殿。正當她要進行深入研究時，“七七事變”爆發，她被迫中斷野外調查工作，不久，北平淪陷，全家輾轉逃難到昆明。次年，她為雲南大學設計了具有民族風格的女生宿舍。
1940年，她隨梁思成的工作單位中央研究院遷到四川宜賓附近的李莊，住在低矮破舊的農舍裡。
顛沛流離的生活和艱苦的物質條件，使她肺病復發。在病榻上，她通讀了廿四史中有關建築的部分，為寫《中國建築史》蒐集資料，經常工作到深夜。這個時期，她的文學作品不多，在她若干詩稿中，迷惘、惆悵、蒼涼、沉鬱已代替了戰前那恬靜、飄逸、清麗、婉約的格調。詩中時時流露出了關懷祖國前途、命運的情愫
1955年4月1日6時20分，林徽因病逝於同仁醫院，享年51歲。林徽因治喪委員會由張奚若、周培源、錢端升、錢偉長、金嶽霖等13人組成。4月3日，林徽因追悼會在北京市金魚衚衕賢良寺舉行。去世後，她的遺體安葬在八寶山革命公墓，墓碑下方有一塊刻著秀麗花圈的漢白玉。這原來是為天安門前人民英雄紀念碑碑座雕飾試刻的一個樣品，人民把它作為一篇獨特的無字墓誌銘，奉獻給它的創作者林徽因。
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