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》。
1957年 在钱学森倡议下，中国力学学会成立，钱学森被一致推举为第一任理事长。2月18日，周总理签署命令，任命钱学森为国防部第五研究院第一任院长。11月16日，周总理任命钱学森兼任国防部第五研究院一分院院长。同年，钱学森所著《工程控制论》获中国科学院自然科学奖一等奖，并被补选为中国科学院学部委员。这一年6月，中国自动化学会筹备委员会在北京成立，钱学森任主任委员。同年9月，国际自控联成立大会推举钱学森为第一届IFAC理事会常务理事。