1934年，這位22歲的學生科學家以物理學博士學位畢業於柏林大學。他的畢業論文論述了液體推進劑火箭發動機理論和實驗的各個方麵，柏林大學把這篇論文評為最高等級：特優。在這篇論文中，年輕的馮·布勞恩試圖分析並測定火箭發動機中發生的複雜的噴射、霧化、燃燒、離解、氣態平衡和膨脹現象等問題，並就這些問題進行了探索和闡述。
在當時，液體推進劑火箭還是一種新事物，而固體燃料火箭早在幾百年以前就有了。航天理論家齊奧爾科夫斯基和奧伯特都曾指出：就產生更強的推力來說，液體推進劑有著巨大的潛力。布勞恩他們的火箭飛行場的主要目標就是把這些建議應用於實踐。這時的液體燃料，是以液態氧為氧化劑，碳氫化合物為燃燒劑。時至今天，許多大型的彈道導彈還是以液體燃料為動力。布勞恩等人的工作，就是要為火箭飛行的點火、混合、冷卻、控製劇烈燃燒等問題提供方法和答案，把液體的發動機和燃料箱組合成一個運載工具，發射上天。
1932年的冬天，布勞恩在德國陸軍的支持之下，組織了自己的實驗室，任務是發展液體推進劑火箭。在軍方的一個試驗井中，布勞恩小組造出了可以產生300公斤推力的再生冷卻液氧——酒精發動機。1934年，他們將這種發動機裝在A-2火箭上，成功地進行了發射試驗二戰結束以前，美國的火箭技術還不很發達，隻能生產無控製火箭，比如火箭筒，小型固體燃料火箭和彈丸推進火箭。
從1946年初到1951年7月，美國的火箭試驗的實際工作在布勞恩小組的實際參與和指導下全麵展開，通過與通用電氣公司的密切合作，火箭試驗特別是V-2火箭試驗取得了巨大的進展。1946年-1951年的6年中，美國陸軍試驗發射了70枚V-2火箭。試驗為火箭飛行積累了大量的數據，取得了豐富的經驗。這些實驗大都是在布勞恩及其同事的嚴密監督和積極參與下完成的，也正是由於布勞恩等人參與，“美國的V-2計劃”才得以大大擴大起來。
在美國進行的V-2計劃的主要目的是進行高層大氣研究，借以取得數據，但同時也為其他有用的目的服務。布勞恩等人在裝配、飛行前檢驗、發射和操縱，以及大型液體燃料導彈的發射等複雜問題上都取得了寶貴的經驗。美國製造的操縱控製係統和其他導彈部件在德國科學家的幫助下進行了試驗，導彈在飛行中的性能和偏航、側滾、俯仰運動為以後的導彈發射提供了重要的數據資料。
試驗的過程中，布勞恩在火箭技術上也取得了自己前所未有的突破：他主持發射的火箭飛得越來越高，速度越來越快，推力越來越大，落點越來越準確，大型火箭不僅可以從地麵發射，還可以在海洋艦艇上發射。由於布勞恩等人的努力工作和豐富的知識經驗，美國的V-2計劃取得長足進展，美國的實驗機構也認識到V-2的巨大作用，開始加以利用。
當時由於戰爭剛剛結束，人們對於新的武器開發不感興趣，所以布勞恩用於試驗的經費是非常有限的。在這種情況下，美國政府和火箭試驗基地的領導人們共同決定：研製一種小型超音速衝壓噴氣發動機為實驗用飛行器。布勞恩小組成了這一項目的負責者，這種飛行器被命名為“赫姆斯2號”。
對於布勞恩來說，這是一個很好很有趣的計劃。在當時的環境下，從事這項試驗又具有很大的挑戰性，因為資金設備並不像在德國時那樣充足，預算很少，設備是臨時湊合的。但是布勞恩帶領他的小組還是以驚人的才能把這項工作完成了。他們把兩輛舊拖車改裝成擴散器和燃燒實驗台；空氣由陸軍過剩的一組機動壓氣機供應。為了在更有代表性的飛行高度條件下進行試驗，他們硬是把全部設備拖到海拔10000英尺的內華達山脈上，在氣壓很低的情況下進行試車。布勞恩還在超音速衝壓發動機擴散器、燃料噴射法、火焰穩定器等許多方麵進行了試驗，在一個新的領域中獲得了大量知識。
對於布勞恩個人來說，從1946年到1951年是他調整、清理和重估的時期，也是他一生最快樂的一個階段。
1947年3月他獲準回德國與他的姨表妹瑪麗亞結婚，婚後他們一起返回美國。1948年底，他們的兒子艾裏斯出生了。