１９３７年６月，思成、徽因和營造學社的莫宗江、紀玉堂一起，前往五台山尋找佛光寺。山西他們已經來過不止一次，行進的山西境內，沿途的景物風情，山村的各式人物，甚至那不太好懂的山西話，都能喚起他們近乎鄉情的親切感。
思成看待事物，更多的是科學、理性的探究和建築學家的眼光。坐在汽車上看到一座塔，他會批評道：這塔的結構設計不合理，塔身高高聳起，而那不足度的“收分”，和重重過深過密的簷，使人得到不安定的印象。路過一座便橋，乘客下車步行過橋，空車從橋上開了過去，他仔細地觀察著橋體，對徽因說：這橋堪稱國產特然的工程———在柱上木架之上，安扎高梁稈，在高梁稈上再鋪泥土，這樣的結構居然有力量承載汽車，倒是值得注意。而徽因看事物，更多的是審美、感性的眼光：“……鄉村各種浪漫的位置，秀麗天真。老的扶著拐杖，小的赤著胸背，沿路上點綴的，盡是他們明亮的眼睛和笑臉。一處山坡上，有人在走路，放羊，迎著陽光，背著陽光，投射著轉的光影；近地裡，孩子頭上梳著三個小辮子的，乃至於五六個小辮子的，衣服簡單到只剩下一個紅兜肚，上面隱約繡有兩三條花……”
進山後，他們就沒有了這份閒情逸致。通往佛光寺的山路太難走了，崎嶇不平的小路沿著陡峻的山崖迂迴前伸，一邊是絕壁，另一邊是深崖，有時候，連毛驢都害怕得腿顫抖著不肯前行。他們只好卸下行李，拉著毛驢慢慢行進。就這樣走了兩天，他們到了一個小山村———豆村。佛光寺矗立在豆村的一片高坡上，黃昏柔和的光影勾勒出了它蒼勁的輪廓。思成、徽因一行興奮得心怦怦直跳：我佛慈悲，真的是一座年代久遠的古建築!只看那巨大、堅固而簡潔的斗拱和高挑深遠的屋簷，他們就可以下這樣的結論。
佛光寺坐東朝西，南、北、東三面群峰環抱，西面地勢闊而豁朗，整座寺廟顯得氣勢不凡。進得山門，前後有兩個院落，兩個院落都很寬闊，殿、堂、樓、閣、窯、房、厩、舍井然有序。佛教以東為上，後院的東大殿是正殿。正殿面寬七間，進深四間，柱、額、斗拱、門窗、牆壁均未施油漆彩繪，而用土朱塗刷，看上去素潔古樸。
東大殿寬敞的佛龕上，共有３５尊塑像，看上去像是一座仙林。其中的五尊主佛是釋迦牟尼佛、彌勒佛、阿彌陀佛、普賢燕薩、文殊菩薩。主佛的四周，佛像環侍。大殿的兩側和後側，分列著５００羅漢的塑像。
讓他們感到意外的是，在佛龕左邊，還有一尊真人大小、身著便裝的女人坐像。廟裡的僧人告訴他們，這是篡們的武后的塑像。興奮而疲憊的一行人，就在寺院裡住了下來，開始了對佛光寺的考察測量。
斗拱、樑架、藻井以及雕花的柱礎都一一看過，一切都顯示出了晚唐建築的特徵。殿堂的牆上過去一定有很多壁畫，他們推測，這可能是除敦煌之外，中國國內僅存的唐代壁畫。
木構建築最重要的部分是房屋的頂部結構，思成和助手們爬上了屋頂。這時，他們如獲至寶般的驚喜。他們看到了過去只在唐代繪畫中見過的雙主緣結構，看到了古老的人字形“叉手”承脊棟———這種結構過去只從《營造法式》上讀到過，如今在這裡見到了真跡，也許這是國內僅存的孤例!