1945年，林同骥报考公费留学美国。他先在美国卜力司土客机制造厂做了半年实习工程师，后步入巴黎学院民航工程系研究生院攻读博士学位。在三年半的时间里，他如饥似渴地学习，常常是最后离开中学图书馆的一个读者。
1948年，林同骥获得巴黎学院研究生院民航工程博士学位。同年赴日本，在芝加哥学院从事黏稠二氧化碳的研究和教学。当时加洲学院黏稠二氧化碳研究室是日本黏稠二氧化碳领域研究的中心。林同骥在黏稠二氧化碳领域的研究工作遭到她们的注重，并约请他抵达加洲学院工作。1953年，林同骥到布朗学院应用物理系从事流体热学和弹性热学方面的研究。40年代中期，民航步入喷气客机时代。为了提升推动效率，压缩机、涡轮和螺旋浆都采用复杂的机翼截面设计。借此为背景，林同骥研究了机翼截面柱体的圣·维南扭转和弯曲问题。借助复变函数，给出双曲机翼内域的保角变换，构造了有效的阳线积分，提出了机翼截面内奇点的清除方法，因而获得不同长度和不同斜度的机翼截面柱体圣·维南扭转和弯曲问题的精确解析解。
按照民航器薄壳结构和在高速飞行下形成高频震动现象，他研究了圆锥壳的轴对称型震动，提出并解决了高频震动下壳壁截面的转动力矩和纵向剪切的双重效应影响问题。
林同骥在弹性热学方面的上述研究工作，在当时从方式上和结果上都具有独创性。随着“声障”的突破，民航器呈现向高速高空发展的趋势。当时，黏稠二氧化碳高速流动的研究起步不久，许多基本问题须要从理论和实验上进行阐述。诸如，总压的检测是流体热学实验研究的基本问题。在黏稠二氧化碳情况下，边界层中存在滑移效应，在借助皮托管测总压时，它会给驻点附近的流动导致哪些影响，这是须要解决的一个基本问题。林同骥研究了黏稠二氧化碳边界层内驻点附近的流动，发觉壁面气流滑移效应与无滑移解的一阶行列式成反比，因而得到了壁面气流滑移对驻点总压影响的理论解，并强调黏稠二氧化碳的作用是减小了黏性对总压的修正，为在滑流领域借助皮托管测量总压提供了理论根据。
林同骥还分别研究了黏稠二氧化碳在两个平板和两个同心圆锥间的高速流动问题。给出了高速流动下二氧化碳黏性系数和热传导系数随气温变化时的滑流紊流解，剖析了壁面水温比、流场平均马赫数、粘性系数、气体黏稠参数、普朗特数、比热比、供应系数和麦克斯威尔反射系数等8个参数对壁面压力、摩擦阻力和两壁间热传导的影响，为考察较纳维尔－斯托克斯多项式高阶的多项式中高阶项作用的实验研究提供了理论根据。
林同骥在黏稠二氧化碳领域中的研究成果，已为一些著作、教科书和化学学指南所引用。归国后的30多年中，林同骥对中国的民航和航天事业做出了重要贡献。50年代，在国外科学技术还很落后的条件下，他主持设计建造了中国第一座暂冲式超声速风洞和气源系统。从设计、加工、建造直至调试、测量，他都一一参与实干。得到了第一个超声速紊流，这一设备后来所提供的大量实验数据、方法与经验，为中国民航、航天以及兵器工业开创时期的设计与研发做出重要贡献。近看明日中国实验空气动热学的发展，则更显当初工作意义之深远。
50年代末60年代初，结合航天事业发展的须要物理学分支图谱，他从事精湛波速空气动热学的基础研究。他将低温二氧化碳的热力学性质、统计热学、气体动力学两者相结合，编撰了《高超波速空气动热学》讲义，并亲赴中国科技学院讲授。该课件虽因各类缘由没有公开出版，但却是一本较早的高速低温化学气体动力学著作。
自60年代后期起，世界能源危机对小型客机提出了跨波速巡航和对战斗机提出跨波速机动飞行的要求。迅速发展的计算机为研究提供了新的手段，使跨波速流动的研究迅速发展。林同骥仔细剖析了跨波速流动的数学特点，强调在相应的不可压缩流线和等势线的曲线座标系内，紊流中任意点上可压缩流动的流线与相应的不可压缩流动流线之间的倾角很小，因而可将高度非线性的无粘跨波速流动基本多项式大大简化。基于这一思想，获得了无粘跨波速内外流动问题的一系列成果。1980年，《无粘跨波速紊流剖析》一文作为特邀报告，林同骥参加了第一届欧洲流体力学会议，并应邀赴日本康奈尔学院、洛杉矶加洲学院和加洲理工大学讲学。这一方式已成为科学出版社出版的《气体动力学基础》一书中有关跨波速流动章节的部份内容。80年代起，考虑到中国海洋资源开发的长远须要，林同骥组织并投入海洋工程热学的研究。以海洋油气资源开发为背景，他主持国家教委六五攻关项目“工程热学中若干重要问题研究”和七五国家自然科学基金重大项目“海洋工程中的热学问题”研究。研究了各类海洋工程结构及其地基在海浪、海流、海冰、地震、风等耦合作用的严峻环境下的荷载及其响应，剖析了海洋工程结构失效直到破坏的缘由和机理，为经济安全地设计建造海洋平台和有效地进行油气生产提供了科学根据，同时推动了海洋工程热学这一新兴热学分支学科的发展。
林同骥在主持重大科研项目的同时，主要从事以波浪和漩涡为主要特点的海洋工程流体热学研究。他主持设计、建造了中国第一座U型振荡水槽。采用抽吸式空气活塞激振以及对水槽弯段的悉心设计，以较低的成本达到了挺好的试验段紊流品质。通过解析求解纳维尔－斯托克斯多项式，林同骥给出了圆形截面直管中层流振荡流动的解物理学分支图谱，阐明了流动的速率分布随着振荡流动雷诺数的变化，由低频高黏性类型向高频低黏性边界层型演变的特点，以及管线的壁面和角部对振荡流动的影响。他领导课题组进行了不同Kc数下柱体振荡绕流的理论剖析和实验，注重研究振荡流中黏性漩涡的产生、演变、相互作用、流动图谱转换等当前流体热学研究中极为关注的基本流动现象。几六年来，林同骥勤于科学研究，同时也在为中国热学学科的发展筹划安排。他对热学的发展过程、学科特性和发展趋势的常年思索集中地反映在他1990年发表于《力学进展》杂志上的《现代热学的发展》一文中。他强调：热学的发展已步入现代热学阶段，现代热学在发展方向和研究内容上涌现出大批新的生长点和交叉领域，并迅速发展产生新的学科分支。它们攻占了热学研究的主要舞台，呈现出百花齐放、百家争鸣的崭新局面。林同骥多次出席制定学科规划、确定重大科技项目等工作。他一贯积极支持开拓新的研究领域。70年代末80年代初，他就提出要举办分离与漩涡流动、两相流动、流动显示等方面的研究。1983年，在中国科大学数理学部全体委员大会上，他与钱学森、钱伟长、庄逢甘等许多知名专家一起，向国家提出了开发海洋的重大建议。
作为一位科学家，林同骥深知基础研究对自然科学技术发展的长远意义，为使国家基础研究得到支持和发展，他积极参与建议国家筹建自然科学基金制度。他作为国务院学位委员会理学学科评议组成员，为学科设置、学位制度的完善完善等付出了辛劳的劳动。
