后排左二为35岁的钱学森，加州理工学院空气动力实验室最初的五人之一。
1947年，钱学森与著名的声乐家蒋英结婚，她是蒋百里和其日本妻子的女儿。蒋百里是中国国民党领袖蒋介石的高级军事专家。
50 年代，钱学森申请成为美国公民，此后不久，他就被控告是一名共产党员，他的安全审查被判无效。美国联邦调查局在1938年从美国共产党的一份文件中找到他的名字。在他发表声明后，美国政府将他关押在长滩边的一个孤岛上。海军部副部长Dan Kimball竭力将钱留在美国境内，他说“这是这个国家所作的一件愚蠢的事......我比他更像一个共产分子，是我们把他逼走的。”
钱学森成为中美之间五年秘密外交和谈判的课题。在这段时间内，他实际是被软禁在家里。钱感觉到他自己同美国移民和归化署之间的冲突，包括一次由于携带机密文件而被捕，而这些文件其实是非常简单的对数表。在这期间，钱得到了他在加州理工学院同事们的支持，包括加州理工学院的校长Lee DuBridge——他坐飞机到华盛顿为钱辩解。加州理工学院委托律师库珀为钱学森辩护。后来，库珀说，“(美国)政府批准将这位天才——科学天才——送给中国政府，让他们利用他的智慧，这是本世纪的悲剧之一。"
回到中国
1955年，中方以释放朝鲜战争中的美国战俘为条件，才使得钱学森可以带着他的夫人和两个孩子回到中国。他一到达，马上就投入了中国导弹计划的研究工作。钱学森在离开美国时，刻意将他的研究资料留了下来。
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曾扣留他支付赔偿，但拒绝为此道歉。
1991年，钱学森退休，此后在北京过着低调的生活。
1992 年，中国政府启动载人航天计划。2003年10月成功地将“神舟五号”送入太空的“长征”火箭便是在钱学森研究的基础上开发的。在医院的病床上，钱老通过电视观看了中国首个载人航天任务的发射过程。
科幻小说作家亚瑟．C．克拉克在其作品《2010：奥德赛二号》中，将其中的一艘中国飞船以钱学森的名字命名。
