1904年6月10日，林徽因出生于浙江杭州的書香世家，祖籍福建閩侯。祖父林孝恂，光緒十五年（1889年）己丑科進士。父親林長民，曾留學日本早稻田大學，先后擔任國務院參事、司法總長等重要職務。堂叔林覺民寫出感人至深的《與妻書》，后被追封為黃花崗革命烈士。

徽因原名“徽音”，取自《詩經·大雅·思齊》：“大姒嗣徽音，則百斯男。”后為避免與一作風不端的男作家混淆，改名“徽因”。

1912年，遷居上海，入讀愛國小學二年級。

1914年，遷居北京。同年，祖父去世。

1916年，入讀培華女子中學。

1918年，認識梁思成。

1920年，隨父游歷歐洲，先后到巴黎、羅馬、柏林、布魯塞爾等地，逐漸對建筑產生了濃厚的興趣。9月，考入倫敦圣瑪麗學院（St.Mary's College）。10月，認識徐志摩。

1921年，回到培華女子中學讀書。

1923年，參加由徐志摩、胡適等組織的新月社的各項活動，與梁思成交往逐漸增多，開始了戀愛。

1924年4月23日，印度詩人泰戈爾訪華，陪同并擔任翻譯，攙扶泰戈爾登上日壇草坪發表講演時的姿態被報紙稱贊“人艷如花”。5月8日，為慶祝泰戈爾64歲誕辰，與徐志摩等演出了泰戈爾的詩劇《齊德拉》（Chitra），林徽因飾演公主齊德拉。演出結束后，泰戈爾稱贊：“齊德拉，你的美麗和智慧不是借來的，是愛神早已給了你的，你將不止擁有一天，一年，而是伴隨你終生。你將因此而放射光輝。”

后從培華女子中學畢業，考取半官費前往美國留學。因建筑系不招收女生，入讀賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）美術系。

1925年，與梁思成、聞一多等籌建“中華戲劇改進社”。11月24日，父親林長民于沈陽逝世，享年49歲。

1927年9月，獲賓夕法尼亞大學美術學士學位，后入讀耶魯大學戲劇學院。

1928年3月，身穿自主設計的中式婚紗與梁思成在加拿大結婚。隨后赴歐洲度蜜月，參觀考察了多處古建筑。8月，因梁啟超病重回國。

1929年1月，梁啟超病故，與梁思成共同為其設計墓碑。后同往東北大學創立建筑系，任副教授，講授雕塑史和專業英語，并為東北大學設計了“白山黑水”的校徽圖案。

8月，生下女兒再冰，以紀念梁啟超“飲冰室”的書房雅號。

1931年春，前往香山雙清別墅療養，創作了詩作《誰愛這不息的變幻》《山中一個夏夜》，小說《窘》等。9月，加入營造學社，任校理，開啟畢生最重要的古建筑研究事業。11月，徐志摩意外身亡，為其處理后事，主持追悼活動。12月，發表《悼志摩》。

1932年3月，發表第一篇古建筑研究論文《論中國建筑之幾個特征》。夏，去臥佛寺、八大處等考察古建筑，發表《平郊建筑雜錄》。

8月，生下兒子從誡，以紀念宋代建筑學家李誡。

1933年，與聞一多、楊振聲等籌備創辦《學文》月刊。赴山西大同、河北正定考察古建筑。

1934年1月，為梁思成撰寫的《清式營造則例》寫“緒論”，論述了中國建筑的精髓——斗栱構架。發表詩作《你是人間四月天》，散文《窗子以外》，小說《九十九度中》等。赴山西汾陽、洪洞、浙江杭州、武義、金華等地考察古建筑。

1935年3月，與梁思成合著《晉汾古建筑預查紀略》。發表詩作《吊瑋德》，小說《鐘綠》（模影零篇之一）、《吉公》（模影零篇之二）。11月19日，發表散文《紀念志摩去世四周年》。

1936年，發表詩作《深笑》，散文《蛛絲和梅花》，短篇小說《文珍》（模影零篇之三）等。5月28日，赴河南洛陽、開封、山東歷城、章丘等地進行古建筑考察。9月，擔任《大公報》文藝作品征文評委，選編《大公報文藝叢刊小說選》，為其作序。

1937年，發表詩作《紅葉里的信念》，話劇《梅真同他們》，短篇小說《繡繡》（模影零篇之四）等。任朱光潛主編的《文學雜志》編委。赴西安等地考察古建筑。

6月，同梁思成、莫宗江、紀玉堂赴山西五臺山考察時，意外發現了建于唐代的木構建筑——佛光寺大殿，這成為當時國內發現的最古老的木構建筑。

1931年到1937年間，林徽因與梁思成調查研究中國古建筑，足跡遍及北京、河北、山西、浙江等15個省，200多個縣，考察測繪了2000多處古建筑，將沉睡千年的歲月喚醒，帶到世人的面前。

7月，林徽因一行得知“盧溝橋事變”后返回北平，輾轉逃難到昆明。在昆明期間，為云南大學設計了女生宿舍。

1940年，隨營造學社遷至四川南溪李莊，生活極其艱苦，肺病復發，臥床四年。在病榻上，林徽因閱讀了二十四史中關于建筑的部分，為梁思成撰寫的《中國建筑史》做資料準備，并最終完成了該書第七章（五代、宋、遼、金）及全部書稿的校閱和補充工作，同時完成了用英文撰寫的《中國建筑史圖錄》。

1946年2月，赴昆明拜會西南聯大校長梅貽琦，建議清華大學增設建筑系。后返回北平，為清華大學設計教師宿舍。11月，發表詩作《對殘枝》，散文《一片陽光》等。

1947年，肺病晚期，腎臟嚴重感染，住進中央醫院。12月，切除了腎臟。

1948年，發表詩作《病中雜詩九首》《哭三弟恒》等。

1949年，北平和平解放，被聘為清華大學建筑系教授。7月，接受國徽設計任務。9月，被選為國徽設計組成員。

1950年，國徽設計中選。6月，被特邀參加全國政協一屆二次會議，同時被任命為北京市都市計劃委員會委員兼工程師，提出修建“城墻公園”的設想。在此期間，還設計了八寶山公墓的主體結構。

1951年，為挽救瀕于停業的景泰藍傳統工藝，深入工廠調研，設計了一批具有民族風格的圖案，革新了景泰藍工藝。

1952年，被任命為人民英雄紀念碑建筑委員會委員，設計了紀念碑底座和花環圖案。應《新觀察》雜志之約，撰寫了《中山堂》《北海公園》等向公眾科普古建筑的文章。

1953年，當選建筑學會理事，任《建筑學報》編委，被邀請參加第二屆全國文藝工作者代表大會。

1954年，當選北京市人民代表大會代表。因病情惡化從清華園移居到北京城內，在床前完成了中國建筑史課程的教授。

1955年，住進梁思成隔壁病房。4月1日6時20分，病逝于同仁醫院，享年51歲，被安葬在八寶山公墓。墓體由梁思成設計，墓碑上刻“建筑師林徽因墓”。

4月2日，《北京日報》《人民日報》刊登訃告，治喪委員會由張奚若、金岳霖等13人組成，追悼會在金魚胡同賢良寺舉行。在眾多的挽聯中，金岳霖和鄧以蟄聯名題寫的“一身詩意千尋瀑 萬古人間四月天”成為后人試圖追憶林徽因的注腳。