钱学森一家1955年10月8日到达香港，同日过国境，回到了祖国。从香港上码头开始，通过与中国旅行社同志的接触，感受到了祖国的温暖。进入国境，钱学森一家见到了科学院派来接他们的朱兆祥。党和政府对他们的照顾无微不至。钱学森受到广东省委书记陶铸的接见并在广州参观。经过上海、杭州，最后到了北京。不久，领导上安排钱学森到东北去参观，看了农村和工厂，特别是飞机厂等，饱览了祖国欣欣向荣的景象。
1955年11月，钱学森和钱伟长合作筹建中国科学院力学研究所。1956年1月5日，力学所正式成立，钱学森任第一任所长，直至70年代后期。在钱学森倡议下，中国应用与理论力学学会在1957年正式成立，钱学森被一致推举为第一任理事长，以后又任中国力学学会第一任理事长。1958年任中国科学技术大学近代力学系主任，讲授星际航行概论和物理力学。
1956年春，钱学森应邀出席中国人民政治协商会议第二届全国委员会第二次全体会议，并在会上发言。2月1日晚，毛泽东主席设宴招待全体委员，并特别安排钱学森同自己坐在一起，进行了亲切的谈话。这是一个有意义的时刻，它表明了钱学森从1955年10月8日回到祖国后，已全身心地投入一项新的事业——中国共产党领导的现代化建设事业。1959年经杜润生、杨刚毅介绍，钱学森加入了中国共产党。
1957年，钱学森所着《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。这一年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，国际自动控制联合会（IFAC）成立大会推举钱学森为第一届IFAC理事会常务理事。1961年，在中国自动化学会成立大会上，全体代表一致推举钱学森为首任理事长。
在40年代试验导弹的早期日子里，钱学森就意识到导弹越来越显示出的重要性，需要一种他称之为喷气式武器部的新机构，用新的军事思想和方法专门进行研究。新中国国防建设的需要，为他实现这一预见提供了历史的机遇。在哈尔滨参观中国人民解放军军事工程学院时，院长陈赓大将专程从北京赶回哈尔滨接见钱学森，他问钱学森的第一句话是：“中国人搞导弹行不行？”钱学森说：“外国人能干的，中国人为什么不能干？”陈赓大将说；“好！就要你这一句话。”这次谈话，决定了钱学森从事火箭、导弹和航天事业的生涯。1955年12月27日，万毅根据彭德怀元帅的指示，详细地听取了钱学森关于如何发展我国火箭导弹技术的意见。1956年2月17日，在周恩来总理的鼓励下，作为一个刚刚回归祖国不久的科学家，钱学森怀着对新中国国防事业强烈的责任感，给国务院写了关于《建立我国国防航空工业的意见书》（当时为保密起见，用“国防航空工业”这个词来代表火箭、导弹和后来所称的航空航天技术）。《意见书》指出：“健全的航空工业，除了制造工厂之外，还应该有一个强大的为设计服务的研究及试验单位，应该有一个作长远及基本研究的单位。自然，这几个部门应该有一个统一领导的机构，作全面规划及安排的工作。”《意见书》提出了我国“国防航空工业”的组织草案、发展计划和具体步骤，并且开列了一张可以调来做高级技术工作的21人名单，包括任新民、罗沛霖、梁守盘、胡海昌、庄逢甘、罗时钧、林同骥等。《意见书》立即引起中央的重视，周恩来总理在1956年3月14日亲自主持会议研究，决定由周恩来总理、聂荣臻元帅和钱学森等筹备组建导弹航空科学研究的领导机构——航空工业委员会，委员会下设立：（1）设计机构；（2）科学机构；（3）生产机构。1956年4月13日，国务院成立了以聂荣臻元帅为主任的航空工业委员会（当时对外不公开），钱学森被任命为委员。
1956年春，周恩来总理亲自领导数百名科学技术专家，制订新中国第一个远大的规划——《1956至1967年科学技术发展远景规划纲要》，确定了57项国家重要科学技术任务。由钱学森主持，在王弼、沈元、任新民等的合作下完成了第37项（《喷气和火箭技术的建立》）的规划。钱学森等在这项重要科学技术任务的说明书中指出：“喷气和火箭技术是现代国防事业的两个主要方面：一方面是喷气式的飞机，一方面是导弹。没有这两种技术，就没有现代的航空，就没有现代的国防。建立了喷气和导弹的技术，民用航空方面的科学技术问题也就不难解决”；“本任务的预期结果是建立并发展喷气和火箭技术，以便在12年内使我国喷气和火箭技术走上独立发展的道路并接近世界先进的科学技术水平，以满足国防的需要”；解决本任务的途径：“必须尽先建立包括研究、设计和试制的综合性的导弹研究机构，并逐步建立飞机方面的各个研究机构”；解决本任务的大体进度：“1963—1967年，在本国研究工作的指导下，独立进行设计和制造国防上需要的、达到当时先进性能指标的导弹”；组织措施是：“在国防部的航空委员会下成立导弹研究院，该院自1956年起开始建设，1960年建成”。1956年5月10日，聂荣臻元帅提出《关于建立我国导弹研究工作的初步意见》，并且建议：在航空工业委员会下设立导弹管理局，钱学森任总工程师；建立导弹研究院，钱学森任院长。钱学森很快受命负责组建我国第一个火箭、导弹研究院——国防部第五研究院。1956年10月8日，恰好是钱学森回归祖国一周年的日子，聂荣臻元帅亲自主持五院成立仪式。这一天也是对新中国156名大学毕业生进行导弹专业教育训练班的开课纪念日。钱学森主讲《导弹概论》。在1942年加州理工学院喷气技术训练班授课14年之后，钱学森为能在自己的国家培养我国第一批火箭、导弹技术人才，感到无比激动。这批受训的大学生，后来成为我国火箭、导弹与航天技术队伍的骨干。1957年2月18日，周恩来总理签署国务院命令，任命钱学森为国防部第五研究院第一任院长。从此，在周恩来总理、聂荣臻元帅直接领导下，钱学森开始了作为新中国火箭、导弹和航天事业技术领导人的长期经历。1957年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。1958年5月29日，聂荣臻元帅同黄克诚、钱学森一起部署了我国第一枚近程导弹的制造工作。1960年11月5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。正如聂荣臻元帅在庆祝宴会的祝酒词中所说，在祖国的地平线上，飞起了我国自己制造的第一枚导弹，这是我国军事装备史上一个重要的转折点。1964年6月29日，我国第一个自行设计的中近程导弹进行飞行试验获得成功。1966年10月27日，遵照周恩来总理“严肃认真、周到细致、稳妥可靠、万无一失”的指示，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”飞行试验，导弹飞行正常，原子弹在预定的距离和高度实现核爆炸。这次史无前例的试验标志着中国开始有了用于自卫的导弹核武器，也标志着《1956至1967年科学技术发展远景规划纲要》规定的“1963—1967年在本国研究工作的指导下，独立进行设计和制造国防上需要的、达到当时先进性能指标的导弹”这一任务的提前完成。第二天，即1966年10月28日，《纽约时报》用这样的文字报道了这一重大事件：“一位15年中在美国接受教育、培养、鼓励并成为科学名流的人，负责了这项试验，这是对冷战历史的嘲弄。1950—1955年的5年中，美国政府成为这位科学家的迫害者，将他视为异己的共产党分子予以拘捕，并试图改变他的思想，违背他的意愿滞留他，最后才放逐他出境回到自己的祖国。”
早在1953年，钱学森就研究了星际航行理论的可行性。1958年，中国科学院成立以钱学森为组长、赵九章和卫一清为副组长的领导小组，负责筹建人造卫星、运载火箭以及卫星探测仪器和空间物理的设计、研究机构。1961年6月，在钱学森、赵九章等的倡导下，中国科学院开始举办了持续12次的星际航行座谈会，钱学森在第一次座谈会上发表了题为《今天苏联及美国星际航行火箭动力及其展望》的讲演。1963年，中国科学院成立了由竺可桢、裴丽生、钱学森、赵九章领导的星际航行委员会，负责组织制订星际航行发展规划，安排预先研究课题。1965年1月8日，钱学森正式向国家提出报告，建议早日制订我国人造卫星的研究计划并列入国家任务。钱学森指出：“自从苏联在1957年10月4日发射第一颗人造地球卫星以来，中国科学院及原第五研究院对这项新技术就有些考虑，但未作为研制任务。现在看来，人造卫星有以下几种已经明确的用途：测地卫星、通讯及广播卫星、预警卫星、气象卫星、导航卫星、侦察卫星。重量更大的载人卫星在国际上的应用，现在虽然还不十分明确，也得有所准备。现在我国弹道式导弹已有一定的基础，现有型号进一步发展，即能发射100公斤左右重量的仪器卫星。这些工作是复杂艰巨的，必须及早开展有关的研究、研制工作，才能到时拿出东西。因此建议国家早日制订我国人造卫星的研究计划，列入国家任务，促进这项重大的国防科学技术的发展。”聂荣臻元帅很重视钱学森的建议，指出：“只要力量上有可能，就要积极去搞。”1965年4月29日，国防科委向中央专门委员会报告了邀请张劲夫、钱学森、孙俊人及国家科委、国防工办专业局的负责同志和专家进行研究的结果，提出了在1970年或1971年发射我国重量为100公斤左右的第一颗人造地球卫星的设想。中央专门委员会于1965年5月4日、5日召开的第12次会议和8月9日、10日召开的第13次会议，原则批准了我国第一颗人造卫星的规划方案，以及争取在1970年左右发射我国第一颗人造卫星的设想。钱学森为解决人造卫星研制中的许多关键技术问题贡献了智慧。譬如，在1966年6月下旬，第一颗人造卫星的运载火箭“长征一号”，为解决滑行段喷管控制问题而进行的滑行段晃动半实物仿真试验，出现了晃动幅值达几十米的异常现象。钱学森亲临现场，在讨论中认定：此现象在近于失重状态下产生，原晃动模型已不成立，此时流体已呈粉末状态，晃动力很小，不影响飞行。后来多次飞行试验证明，这个结论是正确的。在“文化大革命”的日子里，钱学森协助周恩来总理，为领导人造卫星研制计划的正常进行，发挥了特殊的作用，譬如，由于“文化大革命”，“长征一号”运载火箭试车无法进行，1969年7月17日、18日、19日和25日，周恩来总理连续4次召开会议，解决二级和三级地面试车问题，委派钱学森协同七机部军管会副主任杨国宇全权处理有关试车事宜，从而得以在8月22日取得试车成功。1970年，在周恩来总理的直接关怀下，钱学森、李福泽、杨国宇、任新民、戚发韧等在酒泉卫星发射场组织实施了第一颗人造卫星的发射工作。1970年4月24日，重量为173公斤的我国第一颗人造卫星发射成功。钱学森和发射基地的领导人及试验队的代表在现场发表了热情洋溢的讲话。“五一”国际劳动节晚上，毛泽东主席、周恩来总理在天安门城楼上接见了钱学森、任新民等参加第一颗卫星工程研制的代表。这颗卫星向全世界播送的《东方红》乐曲，宣告了新中国迎来了航天时代的黎明。
周恩来总理和聂荣臻元帅是钱学森最崇敬的我国科技事业领导人。他说过：“按照我的体会，周总理、聂老总就是把他们过去在解放战争中组织大规模作战的那套办法，有效地用到科技工作中来，把成千上万的科技大军组织起来了。”
钱学森1965年2月15日任第七机械工业部副部长，1968年兼任中国空间研究院第一任院长，1970年6月12日任国防科学技术委员会副主任，1982年任国防科学技术工业委员会科学技术委员会副主任（1987年7月任高级顾问）。钱学森是中国共产党第九、第十、第十一、第十二届全国代表大会代表和中央委员会候补委员。
1979年，钱学森荣获加州理工学院“杰出校友奖”。
1985年，钱学森因对我国战略导弹技术的贡献，作为第一获奖人和屠守锷、姚桐斌、郝复俭，梁思礼、庄逢甘、李绪鄂等获全国科技进步特等奖。
1986年4月11日，中国人民政治协商会议六届四次全国委员会增选钱学森为副主席。两个月后，中国科协第三次全国代表大会在1986年6月27日一致选举钱学森为中国科协主席。
1989年6月29日，在美国纽约召开的1989年国际技术与技术交流大会授予钱学森“威拉德Ｗ．F.小罗克韦尔奖章”和“世界级科学与工程名人”、“国际理工研究所名誉成员”的称号，表彰他对火箭导弹技术、航天技术和系统工程理论作出的重大开拓性贡献，称他“作为加州理工学院学生时，冯·卡门教授就因他在喷气推进和超声速飞机设计方面的才智而对他特别宠爱。在有关火箭设计的研究工作中，为发展喷气推进，他引入了钱学森公式。钱学森长期担任中国先驱的火箭和航天计划的技术领导人。他对航天技术、系统科学和系统工程做出了巨大的和开拓性的贡献。”
见于《中国科学技术专家传略》之六：工程技术编·力学卷，摘自清华大学新闻网
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