這期間，他不僅掌握了空氣動力學的根本知識，而且已經站到了這門科學的最前沿。
1938年冬，第二次世界大戰爆發。
鑒於錢學森研究工作的出色成績和美國戰時軍事科學研究的需要，他得以參加機密性工作。
1944年，美國軍方委托馮·卡門教授為首，馬林納為副，大力研究遠程火箭。
錢學森負責理論組，他把林家翹、錢偉長也請了來，進行彈道分析、燃燒室熱傳導、燃燒理論研究等工作。
林家翹是1941年從加拿大來到美國的一位庚子賠款的留學生，同年來的還有郭永懷與傅承義。1942年又來了錢偉長。錢學森和他們相處得非常密切，常常一起吃晚飯，並討論各種問題。
與此同時，錢學森還擔任了航空噴氣公司的技術顧問。1945年初，他被美國空軍聘為科學谘詢團團員，成為當時有名望的優秀科學家。
馮·卡門十分賞識錢學森的才華，在他身上傾注了很大的心力。
馮·卡門這樣評價錢學森：
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他在許多數學問題上和我一起工作。我發現他非常富有想象力，他具有天賦的數學才智，能成功地把他與準確洞察自然現象中心物理圖象的非凡能力結合在一起。作為一個青年學生，他幫我提煉了我自己的某些思想，使一些很艱深的命題變得豁然開朗。
所以在1945年初他被空軍聘為科學谘詢團團長的時候，提名錢學森為團員。
1945年5月，第二次世界大戰結束的前夕，錢學森隨科學谘詢團去歐洲，考察英、德、法等國的航空研究，特別是法西斯德國的火箭技術發展情況。
回美國以後，錢學林向空軍領導人作了精彩的考察報告，得到了空軍司令亨利·阿諾德上將的通令嘉獎。
不久，錢學森在馮·卡門領導下，參與了為美國空軍提供火箭遠景發展規劃的製定工作。
美國專欄作家密爾頓·維奧斯特對錢學森在第二次世界大戰期間的作用做了這樣的論述：
在第二次世界大戰期間，在錢學森的幫助下，使大大落後於德國的非常原始的美國火箭事業過渡到相當成熟的階段。
他對建造美國第一批導彈起過關鍵性的作用。他穿上了軍裝隨同盟國軍隊進入德國去研究由希特勒的工程師們設計的可怕的空襲武器。
4年以後，他就成為製定使美國空軍從螺旋漿式飛機向噴氣機過渡，並最後向遨遊太空的無人航天器過渡的長遠規劃的關鍵人物。
錢學森的貢獻的價值，一次又一次地得到美國官方的讚揚和確認。錢學森是幫助美國成為世界第一流軍事強國的科學家的銀河中的一顆明亮的星。
1946年暑期，馮·卡門教授因與加州理工學院當局有分歧而辭職，作為馮·卡門的學生錢學森離開加州理工學院，再到麻省理工學院任副教授，專教空氣動力學專業的研究生。
1947年，36的歲錢學森進入了麻省理工學院年輕的正教授行列。同年7月錢學森向麻省理工學院請假，回國探親。
這是他來到美國第12個年頭後第一次回國。
當時飛越太平洋的航線開辟不久，錢學森從美國乘飛機直接抵達上海。在龍華機場，他的好朋友範緒箕，曾經任上海交通大學校長，專程從杭州趕來迎接他。
舊友重逢，彼此都有訴說不完的話語，憶往昔，看今朝，那場景著實讓人感動。
晚間，錢學森與久別不見的父親一並睡在同一張床上。他聽著父親向他敘述母親去世時的情形，眼淚止不住地往下流。
父親見狀，也不知說什麼好，兩人就這樣沉默著。過了好大一會兒，老父親打開了電燈，從枕頭下摸出了一頁泛黃的小紙片，遞到錢學森的手裏。
錢學森趕忙爬起身來，借著燈光仔細看去，當他看到那娟秀的字跡時，他就知道那是母親留給他的。
他看到母親的字跡，感覺到異常的親切，隻見那上麵寫著：
窗外細雨飛，
老婦命垂危。
夫君煎藥苦，
盼子子不歸。
這篇紙上淚痕斑斑，那是一位慈母思念遠方遊子的淚水啊！錢學森捧著母親臨終留下的小詩，再也無法控製自己內心的悲苦，竟像兒時那樣放聲嚎啕起來。他的淚水和母親的淚水，在詩箋上彙合在一起，不知道地下有知的錢母是否因此而感到心慰。
錢學森這次回國，在上海與昔日女友，留學德國的女高音歌唱家蔣英結婚。
蔣英是我國現代著名軍事戰略家、軍事教育家蔣百裏的三女兒。蔣百裏早年在杭州求是書院讀書時，與錢學森的父親錢均夫是同窗好友，錢學森與蔣英青梅竹馬。這一年，錢學森已36歲了，蔣英也已27歲，為各自心中的理想和追求，他們始終沒有時間結婚，今天終算喜結連理，完成了父輩們的心願。
結婚後，錢學森麵臨著去留問題。他本打算不再回美國去了，但回國後的所見所聞，真是令他傷心極了。
黑暗、混亂、醜惡和悲涼的景象就像一盆冷水，澆滅了歸來遊子火熱的心，他在心裏無數次地問自己，這就是他長大的地方嗎？祖國怎麼變成這副模樣了？
官僚腐敗，物價飛漲。一邊是達官貴人巨賈富商的燈紅酒綠，窮奢極欲；一邊是窮苦人民的無衣蔽體，餓殍滿地。罷工、罷市、罷教、罷課；反內戰反饑餓反暴行；遊行示威不絕於市；特務軍警密布，如臨大敵；豺狼當道，危機四伏。
徒有一腔熱血卻終報國無門！錢學森夫婦隻得又雙雙去了美國。
1948年，錢學森被推選為全美中國工程師學會的會長。他在大學裏擔負著教授空氣動力學、彈性力學等課程，負責主持對新的推進技術的研究。
繁重的教學工作和社會工作，並未削弱他將核能技術引入火箭發動機的雄心壯誌，他以非凡的意誌與智慧敲開了未知世界的堅硬外殼，完成的《關於火箭核能發動機》的論文，這是世界上第一篇關於核火箭的出色論文。
這篇論文首次將核能技術引入了火箭發動機，在數十年仍被公認是經典著作的論文，震驚了美國的科技泰鬥們。他將人們帶入一個無法想像的新天地，重新喚起了人類開拓宇宙間的火一樣的熱情。
此時的錢學森才剛滿38歲，就已被世界公認為力學和應用數學界的權威和流體力學研究的開路人之一。
同時，他還被公認為卓越的空氣動力學家，現代航空科學與火箭技術的先驅和創造人。
錢學森在這次回國之行中，雖然看到了很多令人沮喪的現實，但同時，他也在同學親友中獲悉了許多令人鼓舞的消息：解放戰爭已發生了戰略性轉折，蔣介石政權已搖搖欲墜，共產黨的勝利已指日可待。
從這些消息中，他仿佛已看到了民族的光明前途，堅信自己總有實現報國之誌的一天。
回到美國之後，夫婦倆更加關注祖國傳來的每一條信息。
1948年，解放戰爭取得了決定性的勝利。
1949年5月20日，錢學森收到了由人轉來的曹日昌教授5月14日寫給他的信。
作為中共黨員的曹日昌在信中告訴他，中華人民共和國即將誕生，並希望他快返回祖國，為新中國服務，領導新中國的航空工業建設。
1949年10月1日中華人民共和國成立，毛澤東向全世界莊嚴宣告：中國人民站起來了！當第一麵五星紅旗飄揚在天安門廣場上空，華夏兒女齊聲歡呼，強烈的自豪感、熱切的雷鳴聲蕩氣回腸，在中國的土地上長久地回旋。
這是何等的喜悅，何等的驕傲！人民的歡呼聲響徹雲霄，敲打著大洋彼岸遊子的心。
振奮人心的消息使錢學森內心激動得難以平靜，他向10多位中國留學生通報了新中國誕生的消息，商討盡快回國的辦法。
實際上，錢學森一回美國就做著隨時回國的準備，從麻省理工回到加州理工任噴氣技術教授後，埋頭研究工作，很少接待來客，很少積攢錢財，連人壽保險都沒有辦。
雖然歸心似箭，但現實情況卻使他不敢貿然行動。他深知自己為美國軍界服務多年，較深地介入了軍事技術工作，美國軍方絕不會讓他輕易離去。
過了5天就是我國民族的傳統節日——中秋節。這是新中國成立後的第一個中秋節。
這天錢學森去“華人街”選購了中國月餅，與幾十位中國留學生圍坐在一個大圓桌旁，共度祖國的傳統佳節。
他們邊賞月邊傾訴情懷，深為祖國的新生而歡欣，並對祖國的美好前景充滿著憧憬。
錢學森拿起一塊月餅，激動地說：
新中國已經成立6天了……新生的人民共和國急需科學技術，急需建設人才，我們施展才華報效祖國的時候到來了。
海外赤子們的眼睛濕潤了……
就在此時，錢學森心中萌發起一個強烈的願望：早日回歸祖國，用自己的專長為國家建設服務。
錢學森踏過羅湖橋
1955年10月8日這天，秋高氣爽，風輕雲淡，錢學森一家經曆了22天的海上航行，終於和同船航行的李整武一家以及其他中國留學生，懷著激動的心情，踏上了羅湖橋。
廣州至深圳鐵路的東端，有一條沿山腳彎曲而馳名中外的深圳河，寬不過50米，水深不足5米，河上靜靜地臥著一座秀麗莊嚴的鋼鐵橋梁，這就是羅湖橋。