錢學森1934年從上海交通大學順利畢業，並考入清華大學公費留學，學習飛機設計專業。他想暫時離開祖國到美國去學習先進的技術，他日回國振興國防，為國效力。當時他的兩位導師，一位是我國早年航空工程師王助，一位是清華著名教授王士倬。依照當時清華關於留美學生的規定，錢學森在1934年-1935年到杭州覽橋飛機廠實習，後又到南京、南昌空軍飛機修理廠見習，最後到北京清華。
錢學森於1935年8月從上海坐美國郵船公司的船離開祖國，開始了留學生涯。在美國麻省理工學院航空係，錢學森的學習成績總是名列前茅，比美國學生和其他國家的學生都好，作為中國人，他代表著自己的祖國，因此感到無比的自豪。但是學工程一定要到工廠去，而在當時中國還比較貧窮落後，美國航空工廠並不歡迎中國人。在這種情況下，一年後他不得不開始轉向航空工程理論，即應用力學的學習，師從當時在加利福尼亞理工學院（簡稱加州理工學院）的力學大師馮·卡門教授。
1936年10月，錢學森轉學到加州理工學院，開始了與馮·卡門教授先是師生後是親密合作者的難忘生活。馮·卡門教授是美國著名的力學家、航空工程師，當他第一次見到錢學森時，對這個個子不高，穿著樸素的中國學生並沒注意。但是當錢學森異常準確、清晰地回答出他提出的所有問題時，馮·卡門不禁震驚了。錢學森給這位著名的大教授留下了深刻的印象，從此馮·卡門教授開始教錢學森從工程實踐提取理論研究對象的原則，也教他如何把理論應用到工程實踐中去。馮·卡門每周主持一次研究討論會和一次學術研討會，這些學術活動給錢學森提供了鍛煉創造性思維的良好機會。
在錢學森到加州理工學院的第二年，他認識了熱心研究火箭技術的馬林納，共同的興趣使兩位青年很快結為好友。1939年6月，錢學森完成了《高速氣動力學問題的研究》等四篇出色的博士論文，取得了航空和數學的博士學位後，任加州理工學院航空係的助理研究員，一直到1944年。在這一段時間內，錢學森從事薄殼體穩定性的研究，1940年完成了研究課題，並撰寫了論文。此後錢學森成為馮·卡門的助手，幫助他指導研究生的論文。1940年，由於王助的推薦，錢學森成為我國四川成都航空研究所的通訊研究員，並寫了一篇題為《高速氣流突變之測定》的專論（刊登在該所報告第二號）。1942年，錢學森的研究工作已有了成績，並教了些學生。1942年，美國軍方委托加州理工學院舉辦噴氣技術訓練班，錢學森是教員之一，與陸海空三軍技術人員有了接觸。後來美軍從事火箭導彈的軍官中，有不少是他當時的學生。
到了1944年，錢學森開始負責美國研究的遠程火箭的理論組，進行彈道分析、燃燒室熱傳導、燃燒理論研究等工作。同時錢學森還當了航空噴氣公司的技術顧問。不久加州理工學院提升錢學森為講師。馮·卡門對他很是欣賞，1945年提名錢學森為科學谘詢團團員，使他有機會隨科學谘詢團去歐洲，考察英、德、法等國的航空研究。此時他已經被提升為加州理工學院的副教授，並取得了近代力學和噴氣推進等科學研究方麵的寶貴經驗，成為優秀的科學家。
1946年，錢學森和老師馮·卡門教授因故先後離開加州理工學院，錢學森到麻省理工學院任副教授，教授空氣動力學專業知識。次年，三十七歲的錢學森成為麻省理工學院最年輕的正教授之一。同年9月，錢學森回國探親，和著名的軍事理論家蔣百裏的三女兒蔣英完婚。後來，錢學森要求退出美國空軍科學谘詢團，辭去美國海軍炮火研究所顧問等職務，準備回國效命。但是因為美國的重重阻攔，遲遲未能如願。1949年5月，錢學森先後收到了美國芝加哥大學金屬研究所副教授研究員、留美中國科學工作者協會美中區負責人葛庭燧和中共黨員、當時在香港大學任教的曹日昌的來信，他們向錢學森轉達了祖國召喚他返國服務、領導中華人民共和國航空工業建設的殷殷深情。錢學森毫不猶豫地選擇了回國，實現他多年的夙願。