1941年從加拿大來了幾位庚子賠款的留學生：郭永懷、林家翹、傅承義，1942年又來了錢偉長，錢學森和他們相處的比較密切，常常在一起討論各種問題。
1942年錢學森的研究工作已有了成績，并教了一些學生，同時由于美國戰時軍事科學研究的需要，暫時放松了對外國人的限制，他得以參加機密性工作。同年，美國軍方委托加州理工學院舉行噴氣技術訓練班，錢學森是教員之一。
1944年美國陸軍得知德國研制V-2火箭的情報，遂委托馮·卡門教授領導，馬林納為副，大力研究遠程火箭。美國原始型的"下士"式導彈的設計，錢學森負責理論組，把林家翹、錢偉長也請來，進行彈道分析、燃燒室熱傳導、燃燒理論研究等工作。同時，錢學森還當了航空噴氣公司（Aerojet Company）的技術顧問。
1945年當馮·卡門被空軍聘為科學咨詢團團長的時候，他提名錢學森為團員。同年5月，第二次世界大戰結束前夕，錢學森隨科學咨詢團去歐洲，考察英、德、法等國的航空研究，特別是法西斯德國的火箭技術發展情況，這時加州理工學院提升他為副教授。這一時期，他取得了在近代力學和噴氣推進的科學研究方面的寶貴經驗，成為當時有名望的優秀科學家。
1946年暑期馮·卡門教授因與加州理工學院當局有分歧而辭職，作為馮·卡門的學生，錢學森也離開加州理工學院，再到麻省理工學院任副教授，專教空氣動力學專業的研究生。同年開始將稀薄氣體的物理、化學和力學特性結合起來研究，這是先驅性的工作。同年與郭永懷合作，完成重要論文"二維可壓縮亞、超聲速混合流和上臨界馬赫數"，最早在跨聲速流動問題中引入上下臨界馬赫數的概念。
1947年初36歲的錢學森進入了麻省理工學院年輕的正教授行列。同年夏季，錢學森向麻省理工學院當局請假回國探親，9月中和蔣英結婚。
1948年祖國解放事業勝利在望，錢學森開始準備回國，為此，他要求退出美國空軍科學咨詢團。
1949年 5月20日錢學森收到美國芝加哥大學金屬研究所副教授研究員、留美中國科學工作者協會美中區負責人葛庭燧寫來的信，同時轉來1949年5月14日曹日昌教授寫給錢學森的信、錢學森更加緊了回祖國的準備。
1949年秋錢學森從麻省理工學院回到加州理工學院就任噴氣推進技術教授。
1950年 7月美國政府決定取消錢學森參加機密研究的資格，理由是他與威因鮑姆有朋友關系，并指控錢學森是美國共產黨員，非法入境。錢學森這時立即決定以探親為名回國，準備一去不返，但當他一家將要出發時，錢學森被拘留起來，兩星期后雖經同事保釋出來，但繼續受到移民局的限制和聯邦調查局特務的監視，被滯留5年之久。
1953年在美國政府迫害錢學森的幾年中，除了教書和做研究工作外，仍未放棄學術研究。當年，他正式提出物理力學概念，主張從物質的微觀規律確定其宏觀力學特征，并開拓了高溫高壓的新領域。
1954年具有開創性的研究成果《工程控制論》一書在美國出版。
1955年當年6月的一天，錢學森夫婦擺脫特務監視，在一封寫在一張小香煙紙上寄給在比利時親戚的家書中，夾帶了給陳叔通先生的信，請求祖國幫助他早日回國。8月1日，中美大使級會談在日內瓦開始，王炳南大使以錢學森這封信為依據，迫使美國政府不得不允許錢學森離美回國。10月8日，錢學森一家到達香港，同日過國境，回到了祖國，受到黨和政府的熱烈歡迎和無微不至的照顧。11月，錢學森和錢偉長合作籌建中國科學院力學研究所。12月27日，萬毅根據彭德懷元帥的指示，詳細地聽取了錢學森關于如何發展我國火箭技術的意見。
1956年 1月5日力學所成立，錢學森任第一任所長。2月17日，在周總理的鼓勵下，錢學森給國務院寫了關于《建立我國國防航空工業的意見書》。4月13日，國務院成立了以聶榮臻元帥為主任的航空工業委員會，錢學森被任命為委員。同年春，國家制定了《1956年至1967年科學技術發展遠景規劃綱要》，確定了57項國家重要科學技術任務。由錢學森主持，在王弼、沈元、任新民等的合作下完成了第37項《噴氣和火箭技術的建立》的規劃。5月10日，聶榮臻元帥提出《關于建立我國導彈研究工作的初步意見》，并且建議，在航空工業委員會下設立導彈管理局，錢學森任總工程師，建立導彈研究院，錢學森任院長。10月8日，恰好在錢學森回歸祖國一周年的日子，聶榮臻元帥親自主持五院成立儀式，這一天也是對新中國156名大學畢業生進行導彈專業教育訓練班的開課紀念日，錢學森主講《導彈概論》。
1957年在錢學森倡議下，中國力學學會成立，錢學森被一致推舉為第一任理事長。2月18日，周總理簽署命令，任命錢學森為國防部第五研究院第一任院長。11月16日，周總理任命錢學森兼任國防部第五研究院一分院院長。同年，錢學森所著《工程控制論》獲中國科學院自然科學獎一等獎，并被補選為中國科學院學部委員。這一年6月，中國自動化學會籌備委員會在北京成立，錢學森任主任委員。同年9月，國際自控聯成立大會推舉錢學森為第一屆IFAC理事會常務理事。
1958年5月29日聶榮臻元帥同黃克誠、錢學森一起部署了我國第一枚近程導彈的制造工作。同年，中國科學院成立了以錢學森為組長，趙九章、衛一清為副組長的領導小組，負責籌建人造衛星、運載火箭以及衛星探測儀器和空間物理的設計、研究機構。同年，錢學森任中國科學技術大學近代力學系主任。
1959年經杜潤生、楊剛毅介紹，錢學森加入了中國共產黨。
1960年11月15日在聶榮臻元帥現場親自指導下，以張愛萍將軍為主任，孫繼先、錢學森、王諍為副主任的試驗委員會，在我國酒泉發射場成功地組織了我國制造的第一枚近程導彈的飛行試驗。
1961年他編著的《物理力學講義》正式出版。6月，在中國科學院舉辦的星際航行第一次座談會上錢學森發表了題為《今天蘇聯及美國星際航行火箭動力及其展望》的講演。在中國自動化學會成立大會上，全體代表一致推舉錢學森為首任理事長。
1963年中國科學院成立由竺可楨、裴麗生、錢學森、趙九章領導的星際航行委員會。
1964年6月29日我國自行設計的中近程導彈進行飛行試驗獲得成功。
1965年1月8日錢學森正式向國家提出報告，建議早日制訂我國人造衛星的研究計劃，并列入國家任務。在以后的歲月中，錢學森為解決人造衛星研制中的許多關鍵技術問題貢獻了智慧。同年，錢學森任第七工業部副部長。
1966年10月27日錢學森協助聶榮臻元帥，在酒泉發射場直接領導了用中近程導彈運載原子彈的“兩彈結合”飛行實驗，獲得圓滿成功。
1968年錢學森兼任中國空間研究院第一任院長。
1970年錢學森任國防科學技術委員會副主任。4月24日，重量為173kg的我國第一顆人造衛星發射成功。錢學森和發射基地的領導人在現場發表了熱情洋溢的講話。“五一”國際勞動節晚上，毛澤東主席、周恩來總理在天安門城樓上接見了錢學森、任新民等參加第一顆衛星工程研制的代表。
1978年9月27日錢學森發表的《組織管理的技術--系統工程》論文，對運籌學、系統工程和系統分析科學活動在中國的繁榮，產生了十分積極的影響。
1979年錢學森榮獲加州理工學院“杰出校友獎”。
1982年錢學森任國防科學技術工業委員會科學技術委員會副主任。錢學森是中國共產黨第九、第十、第十一、第十二屆全國代表大會代表和中央委員會候補委員。錢學森等著的《論系統工程》于11月出版。
1985年錢學森因對我國戰略導彈技術的貢獻，作為第一獲獎人和屠守鍔、姚桐斌、郝復儉、梁思禮、莊逢甘、李緒鄂等獲全國科技進步特等獎。
1986年4月11日中國人民政治協商會議六屆四次全國委員會增選錢學森為副主席。兩個月后，中國科協第二次全國代表大會在1986年6月27日一致選舉錢學森為中國科協主席。
1989年6月29日在美國紐約召開的1989年國際技術與技術交流大會授予錢學森“威拉德W·F·小羅克韋爾（Rockwell，Jr．）獎章”和“世界級科學與工程名人”、“國際理工研究所名譽成員”的稱號，表彰他對火箭導彈技術、航天技術和系統工程理論作出的重大開拓性貢獻。
1991年10月16日國務院、中央軍委授予他“國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號和一級英雄模范獎章。同年任中國科協名譽主席。
1999年9月18日中共中央、國務院、中央軍委授予他“兩彈一星”功勛獎章。
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