1911年的冬天，舅母帶她遠赴上海，進入一家新辦的女校讀書。雖然該校水平一般，但卻為陳衡哲的英文打下了一個很好的基礎，成為她後來考取清華學堂赴美留學生的關鍵。舅舅莊蘊寬去世後，陳衡哲寫了一副感人至深的挽聯：
知我，愛我，教我，誨我，如海深恩未得報；病離，亂離，生離，死離，可憐一訣竟無緣。
在對待自己的感情問題上，陳衡哲一度抱獨身主義。關於婚姻，她的看法是：“我的這種想法有多方麵的原因，主要是：第一，我希望能保持自由以便實現自己在知識界發展的誌向，但我所認識的已婚女子沒有人能享受多少自由。第二，我見過太多分娩的不正常狀態，所以根本不想親身經曆。第三，我無法忍受和一個陌生人結婚，但我早年所受的教育和環境的影響都讓我無法想象自己能選擇自己的丈夫而又不自輕自賤。……所以終身不婚的決心輕易地戰勝了一般年輕女孩對感情滿足的渴望。”有才華、有個性的女子，在感情世界中大多坎坷，一則這樣的女子眼界高，二則懂得並敢於欣賞這種女子的男子少之又少。陳衡哲留美時已經25歲，在那個年代算得上超級大齡“剩女”。但是就在此時命運在大洋彼岸給她安排了一個好伴侶，此人便是長她4歲的任鴻雋。
任鴻雋，字叔永，化學家和教育家，同時也是辛亥革命元老之一。1886年生於重慶，學識淵博，是晚清末科的秀才，後來曾就讀於重慶府中學，之後又考入上海中國公學。1908年赴日本留學，留日期間加入了同盟會。1911年武昌起義後回國，任孫中山臨時總統府秘書。因袁世凱竊國稱帝，他辭去官位隻身赴美求學，獲得康奈爾大學化學學士和哥倫比亞大學化學碩士。1918年回國，曾任四川大學校長、教育部專門教育司司長、中華文化教育基金會幹事長等職。
任鴻雋是中國現代科學建製化的開路先鋒和中國現代科學思潮的先驅，他第一個提出了“科學興國”這一理念。1915年元月，我國最早的綜合性科學雜誌《科學》在上海創刊；同年10月，名垂後世的“中國科學社”在美國成立，這是我國最早成立的綜合性科學團體，任鴻雋便是這些組織的主要發起人之一。作為實踐科學興國理念的一部分，任鴻雋致力於將關於西方科學、教育的著作介紹到中國來，其中包括《教育論》、《科學概論》、《科學與科學思想發展史》、《現代科學發明談》。而《科學大綱》第一卷一經問世，兩個月內竟重印了8次。全書介紹了由當時天文學、地質學、海洋生物學、進化論、物理學、微生物學等領域的權威人士撰寫的學術文章，這一科學巨著的出版也與當時在商務印書館任編輯的任鴻雋密不可分。
1914年，陳衡哲作為清華首批女生前往美國，進入當時美國最有名的5所女子大學之一的瓦薩女子大學深造，主修西洋史，副修西洋文學，英文名為Sophia（莎菲），後來又進入芝加哥大學並獲得了文學碩士學位。而位於紐約近郊的康奈爾大學，是一所中國留學生比較集中的名校，任鴻雋、楊杏佛、胡適、趙元任等人都先後在此就讀。原留學日本的任鴻雋，辛亥革命時回國任總統府秘書，後被公派美國留學，並被推選為《留美學生季報》主筆。陳衡哲向該刊投寄了一篇《萊茵女士傳》，寫的是萊茵女士創辦益河女子大學的故事，任鴻雋很欣賞，評價說：“文辭斐然，在國內已不數覯，求之國外女同學中尤為難得。”1916年暑假期間，任鴻雋邀請幾位科學社的朋友郊遊，這其中就有陳衡哲，這是他們的首次會麵。9月初，假東美中國學生年會召開之便，召開了中國科學社的首次年會。陳衡哲雖是文科生，也加入了這一團體，在科學社前期的三四十個會員中，隻有她一個女性。1917年春，任鴻雋與胡適專程拜訪陳衡哲。陳衡哲後來說：“我是1914年秋到美國讀書的，一年之後，對於留學界的情形漸漸熟悉了，知道那時在留學界中，正激蕩著兩件文化革新的運動。其一，是白話文學運動，提倡人是胡適之先生；其二，是科學救國運動，提倡人便是任叔永先生。”任鴻雋於1918年初獲哥倫比亞大學碩士學位後回國。第二年年底為在四川籌辦鋼鐵廠——事再度赴美，同時為北京大學物色人才，在美期間與陳衡哲重逢。陳接受了任的求婚，任鴻雋與陳衡哲也接受了北京大學的聘任。1920年，陳衡哲獲碩士學位回國，任北大西洋文學史教授，成為中國曆史上第一位女教授。是年，30歲的陳衡哲與任鴻雋結婚。
據說陳衡哲一開始並沒有接受任鴻雋的追求，任二度赴美求婚之後，方才點頭應允。至於任打動陳衡哲的原因，她在一封家書中透露了些許：“他對於我們的結婚有兩個大願望。其一是因為他對於舊家庭實在不滿意，所以願自己組織一個小家庭，俾種種夢想可以實現。其二是因為他深信我尚有一點文學的天才，欲為我預備一個清靜安閑的小家庭，俾我得一心一意地去發達我的天才。”據陳衡哲回憶，任鴻雋曾對她說：“你是不容易與一般的社會妥協的。我希望能做一個屏風，站在你和社會的中間，為中國來供奉和培養一位天才女子。”1916年，新文學運動前夕，胡適接任《留美學生季報》總編輯。
古語雲新官上任三把火，胡適的第一把火，是給陳衡哲寄約稿信。因為胡適常聽友人任鴻雋“話說陳衡哲”，稱其為不可多得的才女。陳衡哲回信：你不是號稱“天下無敵”的寫詩高手麼，怎麼倒向我約起稿來！（胡適曾和任鴻雋戲言：我的白話詩你的古文天下無敵。）胡適複信：細讀來信，有葡萄酸哩。她反擊：“細讀”之下，便有發明創造，先生可當科學家了——請以後千萬別再“細讀”我的信了。一笑。胡適複信：還請下次寄信時，聲明讀幾遍最佳。這以後，兩人開始“遊戲酬答”。通信5個月，共計50多封信。少年意氣，口水仗打得妙趣橫生。當然，他們並沒有隻顧打口水仗，陳衡哲給胡適寄去了一篇小說《一日》，胡適將其刊載於1917年第一期《留美學生季報》上，署了她的筆名“莎菲”。事實上，這篇《一日》是中國現代文學史上的第一篇白話小說，比魯迅的《狂人日記》還早一年多。接著她又創作了《老夫妻》、《巫峽裏的一個女子》、《孟哥哥》、《小雨點》等等。這些作品既為陳衡哲成為新文學運動中第一位著名女作家奠定了基礎，也給了當時正在積極倡導新文化運動的胡適以極大的支持，10年之後，胡適在給《小雨點》一書出版作序時說，“莎菲”是他倡導文學革命的“一個最早的同誌”，“當別人還在討論文學革命時，莎菲已經行動了”。