1933年上半年，梁思成帶隊前往河北正定縣考察了諸多古建築，下半年，他們又奔赴山西大同進行調查。
古老的大同是南北朝時的佛教藝術中心，遼金兩代的陪都。它有著兩個重要的遼代寺廟群，一個是華嚴寺，一個是善化寺。
1933年9月，梁思成帶領隊員抵達大同先考察了華嚴寺。華嚴寺是少見的坐西朝東的規製，據說是因為契丹人崇拜太陽，故而奉東方為上方。寺中的大雄寶殿是迄今為止已經發現的古代木建築中體型最大的木殿，殿內還有優美的遼代塑像。而薄伽教藏殿是在公元1038年建成的一座佛經圖書館，裏麵有一整排製作精巧的書櫥壁藏，業內叫做“小木作”，它是中國現存最古老的書櫃，也是國內唯一的孤品，用於存放經書。
從華嚴寺出來，步行十幾分鍾就到了城南的善化寺。善化寺是在公元11世紀中葉到12世紀中葉建成的，至今還保存著四座主要建築和五座次要建築，而殿內二十四尊栩栩如生的諸天造像令梁思成發出：“雕塑甚精美，姿態神情，各盡其妙”的感歎。
梁思成雖然在大同市內僅僅停留了幾天，卻為這座城市留下了深刻的印跡。華嚴寺、善化寺因他們的調查而聞名於世，於1961年被公布為第一批全國重點文物單位，得以保存至今。
離開市區，梁思成又來到了大同郊區的雲岡石窟。
雲岡石窟是中國眾多石窟中唯一一座由皇家主持建造的石窟，代表了公元5世紀中國佛教建築藝術的最高水平。在我國佛教史及藝術史上都占有極其重要的位置。也許是因為雲岡石窟沒有文字，所以在偏重碑拓文字的中國金石學界沒有引起重視，被淹沒於曆史中長達千年之久。
國際學界曾經流行一種說法——“雲岡石窟在中國，雲岡學在日本。”這是因為1902年，日本建築學家伊東忠太走進雲岡，先是撰寫了《雲岡旅行記》，隨後於1906年發表了《北清建築調查報告》和《支那山西雲岡石窟寺》，這些文章猶如學術炸彈，立刻震動和引起了國際學界的關注。國內外不少專家都慕名而來，對雲岡石窟作了係統的調査介紹。