1904年梁思永出生于澳门， 但其童年却是在日本度过的，1913年随家人回国 ，1915年考入清华留美班。
在清华期间，梁思永学习勤奋，成绩优秀，并与兄长梁思成积极参加文娱社会活动。1923年自清华学校留美预备班毕业，赴美国入哈佛大学研究院攻读考古学和人类学。梁思永在哈佛经受了完全现代的考古训练。与传统学者注重文字考释不同，这里注重地质学、人类学、古生物学、社会学、化学、物理方法的综合运用，注重把地下的实物分析与人类社会史的研究结合起来，曾在美国参加印第安人古代遗址的发掘研究。他获得学士学位后，转入哈佛大学研究院，主攻东亚考古。期间，梁思永曾一度回国到清华学校国学研究所担任助教，兼任古物陈列所审查员，故宫博物馆审查员。他参加西阴村陶片的整理研究工作，后写成他的一篇论文《山西西阴村史前遗址的新石器时代的陶器》，获得哈佛大学研究院考古专业硕士，成为第一个受到正规现代考古学训练的中国人。
梁思永是梁启超的次子，可谓身出名门。在中国近现代的名人家庭中，梁启超一家绝对堪称奇特，九位子女有六人成为专家，其中仅院士便有三名：建筑学家梁思成、导弹专家梁思礼，以及考古学家梁思永。在子女成长的过程中，梁启超不断鼓励他们发挥个人所长，为社会做出更大的贡献。比其他子女更幸运的是，梁思永继承了父亲的一个专业，从他那里得到了直接的教诲和提携。梁启超晚年告别政治，专心治学，在文、史等多个领域都有卓越的贡献，其中对新史学的提倡尤其用力。1901年，梁启超首倡“新史学”，那时他已注意到考古学作为一门新的学科正在兴起。
让梁思永学习考古学，梁启超有子承父业的考虑，同时更是希望考古学这门新生的学科能在中国扎根、生长。中国虽然有传统的金石学，但与现代意义上的考古学还不是一码事。上世纪二三十年代，是中国现代考古学的开创时代，但在中国境内从事考古挖掘工作的人却全都是外国人。1926年冬，李济、袁复礼主持了山西夏县西阴村的田野挖掘，这是中国人自己主持的第一次现代考古挖掘。梁启超不仅支持这次挖掘，还希望梁思永能参与其中。
当年12月10日，梁启超写信给正在美国哈佛大学的梁思永，信中说：“李济现在山西乡下正采掘得兴高采烈。我已经写信给他，告诉以你的志愿及条件，大约10日内外可有回信，我想他们没有不愿意的。只要能派你实在职务，有实习的机会，盘费、食住费等等都算不了什么大问题。”
1927年1月10日，李济等人从西阴村考古发掘归来，清华国学院举行了茶话会，梁启超参会并听了李济等两人所作的报告。当晚，梁启超便写了一封长信给梁思永。信中写道：“（他们）在演讲中说，‘他们二人搞考古都只是半路出家，真正专门研究考古学的人还在美国——梁先生的公子。’我听了替你高兴又替你惶恐，你将来如何才能当得起中国第一位考古专门学者这个名誉？总是非常努力才好。”此时，梁启超已经把“当得起中国第一位考古专门学者”的使命交给了梁思永。
1927年夏天，梁思永听从父亲的建议，中断学业回国，计划参与国内的考古挖掘。梁启超得知瑞典考古学家斯温哈丁到新疆考古，就主动联系斯温哈丁，推荐梁思永自费随团考察，可惜因时局动荡而作罢。他又希望儿子能参加李济在山西的考古挖掘，也没成功。
回国一年间，梁思永担任清华国学院助教，兼古物陈列所和故宫博物院的审察员，大都没有薪水，但却提供了很好的学习机会。梁启超不仅把梁思永带在身边，言传身教，还利用自己的威望和交际，为他创造学习机会。他不仅写信请朋友陈仲恕指导，还请他介绍瓷器鉴定名家郭宝昌指点梁思永，开阔他的知识面。
梁思永利用在美国的所学，对山西西阴村发现的一万多个陶片进行了详细分类。这批陶片没有一件是可以完整复原的器物，他通过与国内外的新石器时代的遗址进行对比研究，从而肯定了西阴村与仰韶村是同时代的遗存。他还敏锐地注意到，仰韶村有个别器形，西阴村却没有，并提出了自己的质疑。
1928年8月，梁思永赴美继续深造。正是基于回国一年间的经历，他完成了《山西西阴村史前遗址新石器时代的陶器》的硕士论文，这是中国考古学者完成的“最早的一本专题研究着作”。他在研究中使用了类型学的研究方法，对后来的考古研究具有示范意义。
田野是考古学者的工作天地，从事考古工作首先需要的是身体力行。1930年回国后，梁思永加入了中央研究院历史语言研究所（下简称“史语所”）。当年9月，便赴黑龙江发掘昂昂溪遗址，然后转道通辽，进入热河作田野考古调查，在38天里步行路程逾1000公里，调查了五处新石器时代遗址，采集了大量文物标本。
1930年，梁思永富有创造性地把地层学应用于昂昂溪遗址发掘工作中。这是我国田野考古工作的首次科学发掘。事先，梁思永对东北、蒙古带的史前考古已有清楚的认识。到达之后，他调查分析了这里的地理人文环境。他考察的4个沙冈，挖掘的8个坑都经过了选择，其大小、深度、土层、出土遗物等都有详细记录。这次发掘为中国田野考古工作积累了丰富而宝贵的经验，奠定了田野考古的基础。
此后的6年间，梁思永投入了大量时间和精力用于田野调查和挖掘工作，共参加田野发掘7次。1931年1月，梁思永与表妹李福曼在北京结婚。结婚3个多月后，他便告别了新婚妻子，奔赴野外，当年春天他参加了河南安阳小屯的发掘工作，秋季便转到山东参加城子崖的第二次发掘工作。接着，他又回到安阳小屯，继续挖掘。
梁思永的加入，不仅带来了标准的考古操作规范，还提出了新的观点。1931年之前，中国境内不管是瑞典人还是中国人进行的考古挖掘，发掘遗址都采用按照深度来划分地层的方法，而实际上这是很机械也是很不科学的。
1931年，梁思永创造性地提出了科学的地层划分方法：以土质土色及包含物的不同来划分地层，为科学而准确地认识古代文化遗存打下了基础。山东省文物考古研究所的靳桂云认为，“这不能不说是梁先生为中国现代考古学做出的一个极大的贡献”。靳说：“这一贡献，不仅表明中国田野考古工作的巨大进步，也说明当时，中国的田野工作者的发掘水平已高于在中国从事考古工作的某些外国同行们。”
山东城子崖遗址于1930年进行第一次挖掘，1931年的第二次挖掘便由年轻的梁思永主持。田野发掘报告作为考古发掘成果，本来应当是考古者的重要工作内容，但在城子崖之前，由于国内的考古者缺少此项专业训练，所以只有挖掘没有考古报告。1934年，由梁思永主要编纂的发掘报告《城子崖》出版了，这成为第一部由中国的考古机构组织挖掘并由中国的考古者自己编写的田野发掘报告。梁思永当年在《城子崖》报告里创造的田野发掘报告的基本体例，至今仍在沿用。
山东考古研究所的王恩田先生认为：“《城子崖》一书不仅是考古报告，而且是第一本田野考古技术教程，由此而培养了一代又一代的考古学专家，当时所确立的整套考古发掘方法和原则，至今仍被考古学界所遵奉。可以毫不夸张地说，梁思永先生是现代中国考古学的真正奠基人，是中国考古学之父。”
