二战后，钱学森成为以冯－卡门为团长的美国空军科学咨询团的成员，并被授予上校军衔。他和冯－卡门被军队派到德国考察战时空气动力学研究。钱学森调查了研究设备并拜访了沃纳－冯－布劳恩（Wernher von Braun）和鲁道夫－赫尔曼（Rudolph Hermann）等德国科学家。冯－卡门如此描述钱学森：“在36岁的年纪，他是一个无可置疑的天才，并为高速空气动力学和火箭技术的发展做出了巨大的贡献。”在这期间，钱学森正在设计一架洲际太空飞机（钱氏1949号太空飞机）。他的工作启发并诞生了X-20 Dyna-Soar号太空飞机，并促进了日后航天飞机的发展。
1956年，钱学森牵头建立了中科院力学研究所（Institute of Mechanics），他用自己在美国所学的知识来对中国的工程师们进行培训，他还对这项中国计划的基础结构进行了重组。一年之内，钱学森又向中国政府部门递交了一项关于建立弹道导弹计划的建议书。1956年底，这项建议就被采纳并且钱学森被任命为这项计划的第一任总指挥。
1958年，钱学森完成了东风导弹（Dongfeng missile）计划，并且在1964年试射成功，这比中国第一次成功的原子弹测试要早。钱学森的计划也使得后来影响较广泛的蚕式导弹（Silkworm missile）得到发展。钱学森对中国高等教育事业的发展也有很多贡献。他是中国科技大学力学系(Department of Mechanics of University of Science & Technology of China (USTC))的第一任系主任。中国科技大学是新中国成立后，中科院（Chinese Academy of Sciences (CAS)）建立的一所新式大学，旨在为中国的经济，国防建设和科技教育方面培养高水平的人才。
1958年，钱学森加入中国共产党。
1979年，钱学森被加州理工大学授予"杰出校友奖"。20世纪90年代早期，加州理工大学还为钱学森提供了一个档案柜以保存他的研究资料。起初钱学森并没有接受，但是过去的同事说服了他。这些资料大部分都成为了西安交通大学钱学森图书馆的早期藏书，剩下的一部分则由中国科学院力学研究所收藏。在他的好友 Frank E.Marble帮助下，钱学森最终收到了他的杰出校友奖章，Frank E.Marble把奖章带到中国，在一次盛大的仪式上将奖章交给了钱学森。在中美两国外交正常化以后，钱学森还接到过美国的邀请。但是钱学森拒绝了邀请，因为美国政府只肯为扣留他支付赔偿，但拒绝为此道歉。
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