40年代初，錢學森和另一個航空科學家馬林納合力發表了重要的研究報告《遠程火箭評論與初步分析》，這一論文成為美國研製對地導彈和探空火箭的理論基礎。此外，錢學森還參加了美國核武器研製的“哈拉曼工程”。
1945年到1947年，第二次世界大戰戰火停息後，國內解放戰爭也在節節勝利，錢學森先生意識到民族解放、複興在即，他決定要回國投身到祖國的建設中，但是歸國路途確實是想象不到的坎坷和艱難。
1950年，因為懷疑錢學森是美國共產黨員，美國取消了他參加機密研究機構的資格。錢學森以此為契機，用回國探親這個理由準備回到闊別許久的祖國。正當他要動身的時候，卻被美國移民當局扣押，幸好被同事以一萬五千元美金保釋出來。但此後，美國屢次阻擾他回國，錢學森遭到了美國當局長達五年的扣留和迫害。
據錢學森晚年時候的講述，在美國羈絆的五年中，他時刻不忘回國，每一天都在準備著行李。由於美國政府的刻意壓製，家中的生活條件很差，還要經常搬家。好在妻子蔣英賢良淑德，撫慰了他那寂寥無助的心。妻子蔣英毅然辭退家中所有的女傭，一個人包攬了家中所有的家務活。
在這五年當中，錢學森先生並沒有放棄回國的打算，他在美國加州學院任副教授，在教書之餘，不忘繼續研究自己的學術，並在1953年發表了《從地球衛星軌道上起飛》一文，1954年出版的《工程控製論》更是引起了行業領域的轟動。
出國容易回國難
1949年5月20日和1949年5月14日，留美中國科學工作者協會負責人葛庭燧、曹日昌教授分別寫信，他們勸說錢學森回國參加祖國戰後建設。同年10月1日，新中國成立的消息傳到大洋彼岸，錢學森下定主意，立誓返回魂牽夢繞的祖國。
1950年7月，錢學森準備將整理好的八百公斤的書籍和科研筆記帶回祖國，但遭到美國移民當局的強行拘留，並扣押了所有的資料和書籍。美國海軍部高級次長表示：“錢學森參加了美國很多機密科研機構，無論走到哪裏，他都抵得上5個步兵師，我寧可將這家夥擊斃，也不讓他回到中國！”
錢學森在美國遭到強行拘留的消息傳回國內，舉國震驚！國內多位科學家紛紛聲援錢學森，譴責美國政府的做法太過極端。新中國公開指責美國在違反個人意願的情況下強行扣押錢學森，這是完全不符合美國所謂的人權、民主、自由等口號。
中國為了讓錢學森早日回國，也在時時刻刻地想著法子。在日內瓦召開的關於恢複印度支那和平問題的會議上，周恩來總理表示，中國可以釋放在朝鮮戰場上被俘的美國十一名高級將領，為了表示誠意，中國會先釋放4名美國的王牌飛行員。然而，美國堅持不讓步，聲稱並沒有證據表示錢學森想要回國。
就在談判無以為繼的時候，全國人大副常委陳叔通忽然收到錢學森的來信，信中的內容是要求祖國幫助他回國。原來錢學森通過美國的報紙看到了天安門廣場上的陳叔通，而陳叔通正是他父親錢均的好朋友，於是便決定給他寫信。錢學森先是擺脫美國特務的監督，在寫給比利時的親戚家書的夾層中留下了這封寫給陳叔通的信件。
陳叔通接到信後，立刻將信交給了周恩來總理，周總理以此作為美國當局扣留錢學森的鐵證，美國隻得以“驅逐犯人”的名義放錢學森先生歸國。1955年9月17日，錢學森先生終於得償夙願，攜帶妻子和一雙幼小的兒女踏上了歸國的路途。當年10月8日，錢學森先生終於回到中國廣州。
但是，對於美國政府以驅逐罪犯的名義將他放回，錢學森異常憤恨，他堅決表示，如果美國不就此向他道歉，他就永遠不再去美國。果然，在錢學森回國後的生命中，他再也沒有前往美國了。
科研狂人
回到祖國的錢學森開始了他一生中最為光輝的曆程。他迫不及待地投身到祖國的航空、國防建設之中。
1955年冬，錢學森參觀了陳賡大將領導下的哈爾濱軍事工程學院。在交談中，錢學森堅持一定要發展中國人自己的導彈、火箭。1956年，錢學森提出了《建立我國國防航空工業的意見書》，意見書中詳細地闡述了中國導彈、火箭工程的發展、建設規劃，這份意見書立刻受到黨和中央的高度重視。
同年，毛主席在中南海接見了錢學森，毛主席的和藹、親切、平易近人，都讓錢學森印象深刻。在國家政府的扶持下，錢學森隨後成立中國第一個火箭、導彈研究機構———國防部第五研究院。研究院以錢學森作為眾多科研學者的領頭人，為了讓這些從未接觸過導彈的學者們盡快地融入到導彈、火箭的建設發展之中，錢學森首先給分配過來的156名大學生和教授講述了《導彈概論》，並親自擬定空氣動力學、發動機等相關專業的學習計劃。
六十年代，中蘇關係迅速惡化，蘇聯將所有援華的科學家全部撤走，同時將支援中國的工業項目的合同全部撕毀。在這種極端困難的條件下，錢學森和眾多學者一樣，吃粗幹糧、睡帳篷，他們同甘共苦。雖然國外技術死死封鎖，但是錢學森的隊伍也能攻克重重難關，終於在1960年11月5日，中國發射了第一枚導彈。這個時間距離蘇聯撤走科學專家僅17天，當時在酒泉發射場的聶榮臻元帥十分激動，他說：“這是我國軍事裝備史上的轉折點！”