1945年当冯卡门被空军聘为科学咨询团团长的时候，他提名钱学森为团员。同年5月，第二次世界大战结束前夕，钱学森随科学咨询团去欧洲，考察英、德、法等国的航空研究，特别是法西斯德国的火箭技术发展情况，这时加州理工学院提升他为副教授。这一时期，他取得了在近代力学和喷气推进的科学研究方面的宝贵经验，成为当时有名望的优秀科学家。

1946年暑期冯卡门教授因与加州理工学院当局有分歧而辞职，作为冯卡门的学生，钱学森也离开加州理工学院，再到麻省理工学院任副教授，专教空气动力学专业的研究生。同年开始将稀薄气体的物理、化学和力学特性结合起来研究，这是先驱性的工作。同年与郭永怀合作，完成重要论文"二维可压缩亚、超声速混合流和上临界马赫数"，最早在跨声速流动问题中引入上下临界马赫数的概念。

1947年初36岁的钱学森进入了麻省理工学院年轻的正教授行列。同年夏季，钱学森向麻省理工学院当局请假回国探亲，9月中和蒋英结婚。

1948年祖国解放事业胜利在望，钱学森开始准备回国，为此，他要求退出美国空军科学咨询团。

1949年5月20日钱学森收到美国芝加哥大学金属研究所副教授研究员、留美中国科学工作者协会美中区负责人葛庭燧写来的信，同时转来1949年5月14日曹日昌教授写给钱学森的信、钱学森更加紧了回祖国的准备。

1949年秋钱学森从麻省理工学院回到加州理工学院就任喷气推进技术教授。

1950年7月美国政府决定取消钱学森参加机密研究的资格，理由是他与威因鲍姆有朋友关系，并指控钱学森是美国共产党员，非法入境。钱学森这时立即决定以探亲为名回国，准备一去不返，但当他一家将要出发时，钱学森被拘留起来，两星期后虽经同事保释出来，但继续受到移民局的限制和联邦调查局特务的监视，被滞留5年之久。

1953年在美国政府迫害钱学森的几年中，除了教书和做研究工作外，仍未放弃学术研究。当年，他正式提出物理力学概念，主张从物质的微观规律确定其宏观力学特征，并开拓了高温高压的新领域。

1954年具有开创性的研究成果《工程控制论》一书在美国出版。

1955年当年6月的一天，钱学森夫妇摆脱特务监视，在一封写在一张小香烟纸上寄给在比利时亲戚的家书中，夹带了给陈叔通先生的信，请求祖国帮助他早日回国。8月1日，中美大使级会谈在日内瓦开始，王炳南大使以钱学森这封信为依据，迫使美国政府不得不允许钱学森离美回国。10月8日，钱学森一家到达香港，同日过国境，回到了祖国，受到党和政府的热烈欢迎和无微不至的照顾。11月，钱学森和钱伟长合作筹建中国科学院力学研究所。12月27日，万毅根据彭德怀元帅的指示，详细地听取了钱学森关于如何发展我国火箭技术的意见。

1956年1月5日力学所成立，钱学森任第一任所长。2月17日，在周总理的鼓励下，钱学森给国务院写了关于《建立我国国防航空工业的意见书》。4月13日，国务院成立了以聂荣臻元帅为主任的航空工业委员会，钱学森被任命为委员。同年春，国家制定了《1956年至1967年科学技术发展远景规划纲要》，确定了57项国家重要科学技术任务。由钱学森主持，在王弼、沈元、任新民等的合作下完成了第37项《喷气和火箭技术的建立》的规划。5月10日，聂荣臻元帅提出《关于建立我国导弹研究工作的初步意见》，并且建议，在航空工业委员会下设立导弹管理局，钱学森任总工程师，建立导弹研究院，钱学森任院长。10月8日，恰好在钱学森回归祖国一周年的日子，聂荣臻元帅亲自主持五院成立仪式，这一天也是对新中国156名大学毕业生进行导弹专业教育训练班的开课纪念日，钱学森主讲《导弹概论》。