經過努力，錢學森和錢偉長合作籌建中國科學院力學研究所。1956年1月研究所正式成立，並由他擔任所長直到70年代後期。同年2月，錢學森經過深思熟慮，提出了關於《建立我國國防航空工業的意見書》，就我國火箭、導彈事業的組織方案、發展計劃和具體措施發表了科學的見解。《意見書》受到黨中央的高度重視。不久，錢學森受命負責組建我國第一個火箭、導彈研究機構，任國防部第五研究院院長。新中國的火箭、導彈和航天事業由此開始了艱難的征程。在他的積極倡議下，中國應用與理論力學學會於1957年正式成立，錢學森任理事長。同年，錢學森所著《工程控製論》獲中國科學院自然科學獎一等獎，並被補選為中國科學院學部委員。9月，國際自動控製聯合會（ＩＦＡＣ）成立大會推舉錢學森為第一屆ＩＦＡＣ理事會常務理事。1958年，錢學森任中國科學技術大學近代力學係主任，講授星際航行概論和物理力學。1959年，錢學森光榮地加入了中國共產黨。1961年，在中國自動化學會成立大會上，全體代表一致推舉錢學森為首任理事長。
錢學森在酒泉發射場的工作期間和普通科技人員一樣，睡帳篷、吃粗糧，夜以繼日的組織導彈試驗的測試、計算、分析、研究工作。在前蘇聯突然撤走全部專家的困難條件下，他毅然帶領著中國科學家們攻克了一道道難關。1960年11月5日，我國第一枚導彈飛行試驗在祖國的地平線上成功飛起，這是我國軍事裝備史上的一個重要轉折點。1964年6月29日，我國第一個自行設計的中近程導彈進行飛行試驗獲得成功。1965年1月8日，錢學森正式向國家提出報告，建議早日製訂我國人造衛星的研究計劃並列入國家任務，1970年4月24日，我國第一顆人造衛星“東方紅一號”遨遊太空，向全世界宣告新中國迎來了航天時代的黎明。
1966年10月，錢學森又參與組織了我國第一枚裝有核彈頭的中近程導彈運載原子彈的“兩彈結合”飛行爆炸試驗。當核彈頭在預定地點上空成功實現了核爆炸，我國的國防現代化建設又一次實現了曆史性跨越。這次史無前例的試驗標誌著中國開始有了用於自衛的導彈核武器，此舉震驚了世界。
錢學森作為中國軍事高科技的奠基人之一。他不僅為“兩彈一星”事業做出了卓越貢獻，也對我國軍事科學研究提出了高層次的重要思想和觀點，並直接倡導了軍事係統工程和軍事運籌學學科的建立與發展。早在20世紀70年代末，錢學森就深刻地闡述了“戰爭是一門科學”的思想。他指出：“我們要用現代科學技術來研究戰爭的規律，研究戰爭這一門科學，這就形成了現代軍事科學。”經過潛心研究，錢學森在1998年的一次書麵發言中，對軍事科學體係作了完整的論述。錢學森在晚年還特別強調了軍事科學要開展跨學科研究的問題，並指出：科學的發展離不開各學科相互交叉、相互作用、相互借鑒。
錢學森是一位傑出的科學家、思想家、“中國航天之父”。他把科學理論和火熱的改造客觀世界的革命精神結合起來了，以十分積極的態度來促進科技界的新陳代謝。他不僅在應用力學、工程控製論、航天科技和係統科學領域做出世界一流的工作，而且不斷擴大視野，在眾多學科中提出了令人耳目一新的思路和觀點。他的科學觀、哲學思想和人格魅力，向世人展示了一位集智慧與成功於一體的非凡風采。錢學森共發表專著7部，論文300餘篇。主要表現在應用力學、物理力學、噴氣推進與航天技術、工程控製論、係統工程、係統科學、係統思維、科學技術體係與馬克思主義哲學和人體科學等方麵均對我國的發展與強大做出了巨大的貢獻。