1955年，经过周恩来总理在与美国外交谈判上的不断努力——甚至包括了不惜释放11名在朝鲜战争中俘获的美军飞行员作为交换，1955年8月4日，钱学森收到了美国移民局允许他回国的通知。1955年9月17日，钱学森回国愿望终于得以实现了，这一天钱学森携带妻子蒋英和一双幼小的儿女，登上了“克利夫兰总统号”轮船，踏上返回祖国的旅途。1955年10月1日清晨，钱学森一家终于回到了自己魂牵梦绕的祖国，回到自己的故乡。
归国以后
归国之后，周恩来在各方面都给予了钱学森亲切细致的关怀，晚年的钱学森还激动地回忆起一件往事：1970年，中国第一颗人造卫星“东方红”发射前夕，周恩来总理召集相关的科研人员在人民大会堂开会，临别之际，周恩来总理特意叫住了钱学森：钱学森，你不要太累着了。钱学森生前常对人说，对他一生影响最深和帮助最大的有两个人，一个是开国总理周恩来，一个是自己的岳父蒋百里。
1956年初，他向中共中央、国务院提出《建立我国国防航空工业的意见书》；同年，国务院、中央军委根据他的建议，成立了导弹、航空科学研究的领导机构——航空工业委员会，并任命他为委员。
1956年参加中国第一次5年科学规划的确定，钱学森与钱伟长、钱三强一起，被周恩来称为中国科技界的“三钱”，钱学森受命组建中国第一个火箭、导弹研究所——国防部第五研究院并担任首任院长。
1956年，任中国科学院力学研究所所长、研究员。在力学所工作到1972年前后。在政协第二届全国委员会第二次全体会议上，被增选为政协第二届全国委员会委员。
1957 年，在钱学森倡议下，中国力学学会成立，钱学森被一致推举为第一任理事长。2月18日，周恩来总理签署命令，任命钱学森为国防部第五研究院第一任院长。11月16日，周恩来总理任命钱学森兼任国防部第五研究院一分院院长。同年，钱学森所著《工程控制论》获中国科学院自然科学奖一等奖，并被补选为中国科学院学部委员。1957年6月，中国自动化学会筹备委员会在北京成立，钱学森任主任委员。同年9月，国际自控联成立大会推举钱学森为第一届IFAC理事会常务理事。
1958年，为了为两弹一星工程培养人才，应钱学森关于建立“星际宇航学院”的要求，成立了中国科学技术大学，钱学森任中国科学技术大学近代力学系主任，成为中国科学技术大学的创始人之一。经杜润生、杨刚毅介绍，加入中国共产党。
1959年，当选为第二届全国人民代表大会代表。并相继当选为第三、四、五届全国人民代表大会代表。
1959年9月19日，钱学森专程从北京来到已从上海迁至西安的西安交通大学参观校园，看望师生。
1960年，任国防部第五研究院副院长，并不再兼任该院一分院院长。从此，钱学森的主要职务一直为副职，由第五研究院副院长，到第七机械工业部副部长，再到国防科学技术委员会副主任等，专司中国国防科学技术发展的重大技术问题。
1960年11月15日，在聂荣臻元帅现场亲自指导下，以张爱萍将军为主任，孙继先、钱学森、王诤为副主任的试验委员会，在我国酒泉发射场成功地组织了我国制造的第一枚近程导弹的飞行试验。
1961年，当选为中国自动化学会第一届理事会理事长。1962年，《物理力学讲义》出版。1963年，《星际航行概论》出版。1965年，任第七机械工业部（导弹工业部）副部长。
1966年10月27日 ，钱学森协助聂荣臻元帅，在酒泉发射场直接领导了用中近程导弹运载原子弹的“两弹结合”飞行实验，获得圆满成功。 1968年，兼任中国人民解放军第五研究院（即今天的中国空间技术研究院）院长。
1969年，当选为中国共产党第九次全国代表大会代表和第九届中央委员会候补委员。并相继当选为第十、十一、十二、十三、十四、十五次全国代表大会代表，第十、十一、十二届中央委员会候补委员。
1970年，任国防科学技术委员会副主任，并不再兼任中国人民解放军第五研究院院长。
1979年，在中美正式建立外交关系的当年，获美国加州理工学院“杰出校友奖”（Distinguished Alumni Award）。但钱学森没有到美国接受这份荣誉。
1980年当选中国科学技术协会第一届全国委员会副主席；1986年当选中国科学技术协会第三届全国委员会主席。
1982年，任国防科学技术工业委员会科学技术委员会副主任。当选为中国力学学会名誉理事长。任国防部第五研究院院长，兼任该院一分院（即今天的中国运载火箭技术研究院）院长。《论系统工程》出版，1988年《论系统工程》（增订版）出版。
