1945年，林同驥報考公費留學美國。他先在美國卜力司土客機制造廠做了半年實習工程師，后步入巴黎學院民航工程系研究生院攻讀博士學位。在三年半的時間里，他如饑似渴地學習，常常是最后離開中學圖書館的一個讀者。
1948年，林同驥獲得巴黎學院研究生院民航工程博士學位。同年赴日本，在芝加哥學院從事黏稠二氧化碳的研究和教學。當時加洲學院黏稠二氧化碳研究室是日本黏稠二氧化碳領域研究的中心。林同驥在黏稠二氧化碳領域的研究工作遭到她們的注重，并約請他抵達加洲學院工作。1953年，林同驥到布朗學院應用物理系從事流體熱學和彈性熱學方面的研究。40年代中期，民航步入噴氣客機時代。為了提升推動效率，壓縮機、渦輪和螺旋漿都采用復雜的機翼截面設計。借此為背景，林同驥研究了機翼截面柱體的圣·維南扭轉和彎曲問題。借助復變函數，給出雙曲機翼內域的保角變換，構造了有效的陽線積分，提出了機翼截面內奇點的清除方法，因而獲得不同長度和不同斜度的機翼截面柱體圣·維南扭轉和彎曲問題的精確解析解。
按照民航器薄殼結構和在高速飛行下形成高頻震動現象，他研究了圓錐殼的軸對稱型震動，提出并解決了高頻震動下殼壁截面的轉動力矩和縱向剪切的雙重效應影響問題。
林同驥在彈性熱學方面的上述研究工作，在當時從方式上和結果上都具有獨創性。隨著“聲障”的突破，民航器呈現向高速高空發展的趨勢。當時，黏稠二氧化碳高速流動的研究起步不久，許多基本問題須要從理論和實驗上進行闡述。諸如，總壓的檢測是流體熱學實驗研究的基本問題。在黏稠二氧化碳情況下，邊界層中存在滑移效應，在借助皮托管測總壓時，它會給駐點附近的流動導致哪些影響，這是須要解決的一個基本問題。林同驥研究了黏稠二氧化碳邊界層內駐點附近的流動，發覺壁面氣流滑移效應與無滑移解的一階行列式成反比，因而得到了壁面氣流滑移對駐點總壓影響的理論解，并強調黏稠二氧化碳的作用是減小了黏性對總壓的修正，為在滑流領域借助皮托管測量總壓提供了理論根據。
林同驥還分別研究了黏稠二氧化碳在兩個平板和兩個同心圓錐間的高速流動問題。給出了高速流動下二氧化碳黏性系數和熱傳導系數隨氣溫變化時的滑流紊流解，剖析了壁面水溫比、流場平均馬赫數、粘性系數、氣體黏稠參數、普朗特數、比熱比、供應系數和麥克斯威爾反射系數等8個參數對壁面壓力、摩擦阻力和兩壁間熱傳導的影響，為考察較納維爾－斯托克斯多項式高階的多項式中高階項作用的實驗研究提供了理論根據。
林同驥在黏稠二氧化碳領域中的研究成果，已為一些著作、教科書和化學學指南所引用。歸國后的30多年中，林同驥對中國的民航和航天事業做出了重要貢獻。50年代，在國外科學技術還很落后的條件下，他主持設計建造了中國第一座暫沖式超聲速風洞和氣源系統。從設計、加工、建造直至調試、測量，他都一一參與實干。得到了第一個超聲速紊流，這一設備后來所提供的大量實驗數據、方法與經驗，為中國民航、航天以及兵器工業開創時期的設計與研發做出重要貢獻。近看明日中國實驗空氣動熱學的發展，則更顯當初工作意義之深遠。
50年代末60年代初，結合航天事業發展的須要物理學分支圖譜，他從事精湛波速空氣動熱學的基礎研究。他將低溫二氧化碳的熱力學性質、統計熱學、氣體動力學兩者相結合，編撰了《高超波速空氣動熱學》講義，并親赴中國科技學院講授。該課件雖因各類緣由沒有公開出版，但卻是一本較早的高速低溫化學氣體動力學著作。
自60年代后期起，世界能源危機對小型客機提出了跨波速巡航和對戰斗機提出跨波速機動飛行的要求。迅速發展的計算機為研究提供了新的手段，使跨波速流動的研究迅速發展。林同驥仔細剖析了跨波速流動的數學特點，強調在相應的不可壓縮流線和等勢線的曲線座標系內，紊流中任意點上可壓縮流動的流線與相應的不可壓縮流動流線之間的傾角很小，因而可將高度非線性的無粘跨波速流動基本多項式大大簡化。基于這一思想，獲得了無粘跨波速內外流動問題的一系列成果。1980年，《無粘跨波速紊流剖析》一文作為特邀報告，林同驥參加了第一屆歐洲流體力學會議，并應邀赴日本康奈爾學院、洛杉磯加洲學院和加洲理工大學講學。這一方式已成為科學出版社出版的《氣體動力學基礎》一書中有關跨波速流動章節的部份內容。80年代起，考慮到中國海洋資源開發的長遠須要，林同驥組織并投入海洋工程熱學的研究。以海洋油氣資源開發為背景，他主持國家教委六五攻關項目“工程熱學中若干重要問題研究”和七五國家自然科學基金重大項目“海洋工程中的熱學問題”研究。研究了各類海洋工程結構及其地基在海浪、海流、海冰、地震、風等耦合作用的嚴峻環境下的荷載及其響應，剖析了海洋工程結構失效直到破壞的緣由和機理，為經濟安全地設計建造海洋平臺和有效地進行油氣生產提供了科學根據，同時推動了海洋工程熱學這一新興熱學分支學科的發展。
林同驥在主持重大科研項目的同時，主要從事以波浪和漩渦為主要特點的海洋工程流體熱學研究。他主持設計、建造了中國第一座U型振蕩水槽。采用抽吸式空氣活塞激振以及對水槽彎段的悉心設計，以較低的成本達到了挺好的試驗段紊流品質。通過解析求解納維爾－斯托克斯多項式，林同驥給出了圓形截面直管中層流振蕩流動的解物理學分支圖譜，闡明了流動的速率分布隨著振蕩流動雷諾數的變化，由低頻高黏性類型向高頻低黏性邊界層型演變的特點，以及管線的壁面和角部對振蕩流動的影響。他領導課題組進行了不同Kc數下柱體振蕩繞流的理論剖析和實驗，注重研究振蕩流中黏性漩渦的產生、演變、相互作用、流動圖譜轉換等當前流體熱學研究中極為關注的基本流動現象。幾六年來，林同驥勤于科學研究，同時也在為中國熱學學科的發展籌劃安排。他對熱學的發展過程、學科特性和發展趨勢的常年思索集中地反映在他1990年發表于《力學進展》雜志上的《現代熱學的發展》一文中。他強調：熱學的發展已步入現代熱學階段，現代熱學在發展方向和研究內容上涌現出大批新的生長點和交叉領域，并迅速發展產生新的學科分支。它們攻占了熱學研究的主要舞臺，呈現出百花齊放、百家爭鳴的嶄新局面。林同驥多次出席制定學科規劃、確定重大科技項目等工作。他一貫積極支持開拓新的研究領域。70年代末80年代初，他就提出要舉辦分離與漩渦流動、兩相流動、流動顯示等方面的研究。1983年，在中國科大學數理學部全體委員大會上，他與錢學森、錢偉長、莊逢甘等許多知名專家一起，向國家提出了開發海洋的重大建議。
作為一位科學家，林同驥深知基礎研究對自然科學技術發展的長遠意義，為使國家基礎研究得到支持和發展，他積極參與建議國家籌建自然科學基金制度。他作為國務院學位委員會理學學科評議組成員，為學科設置、學位制度的完善完善等付出了辛勞的勞動。
