年夏，钱学森告别父母，乘上美国“杰克逊总统号”轮船启航美国。20天后登上了彼岸，来到了马萨诸塞州首府波士顿的坎布里奇市，这里只有10万人口，却是一个举世瞩目的大学城，因为两座世界有名大学：哈佛大学和麻省理工学院都在这里。钱学森进入了麻省理工学院。这是一所名师荟萃，驰名全球的理工类学院，许多诺贝尔奖获得者、美国国家科学院和国家工程院院士都在这里执教，条件优越，环境优雅，学风严谨，钱学森如愿以偿，似饥如渴，一年之后便以优异成绩获得航空系硕士学位。学工必须理论与实践相结合，到飞机工厂实习与工作是不可或缺的步骤，但美国航空企业不欢迎中国人去，这是钱学森没有想到的。一个标榜民主、自由、平等、博爱的国度，居然存在着如此的种族歧视，具有强烈民族自尊心的钱学森第一次深切地感受到祖国强盛的可贵。冷遇和挫折并没有动摇钱学森强烈的求知渴望，反而增添了他顽强拼搏的勇气。
钱学森年秋，钱学森飞到了洛杉矶，径直来到了加州理工学院，因为加州理工学院同样是美国著名的理工科大学之一，有着最负盛名的力学和航空动力学研究中心，享誉“超音速飞行之父”的世界著名力学大师冯·卡门教授就在这里。慕名而来的钱学森站到了冯·卡门面前，谦恭地自我介绍：“尊敬的先生，我是从麻省理工学院来的。我想由航空工程转学航空理论，也就是力学，请您告诉我，我的想法对吗？”冯·卡门听完了年轻人的诉说，不觉露出了欣喜的目光。在他看来，一个从事技术工程的年轻学者不满足已有的专业知识，感悟到理论的重要性，这正是有远大志向的表现。为了了解他的专业功底，冯·卡门提出了一系列的问题，钱学森对答如流，反应之快捷，回答之准确，使大师赞叹不已。他用惊异的目光打量着这位头脑清晰、思维敏捷、才华横溢的中国学生。他当即十分高兴地答应了钱学森希望攻读博士学位的要求，接纳这个令人喜爱的年轻人。从年10月起，钱学森在冯·卡门指导和领导下进行了长达10年的学习与工作。
冯·卡门是匈牙利人，自年起定居美国。他是一个坦诚直率、性格开朗而又十分谦逊的长者，也是美国航天科学的创始者之一。他十分赏识钱学森的才华，在他身上倾注了很大的心力。钱学森则以他非凡的勤奋与智慧，以出类拔萃的理论与实验成果，成长为冯·卡门的得意学生和不可缺少的助手。钱学森拿出了上交大时练就的苦读功夫，开始废寝忘食地读书，他立志读完全世界现存的所有力学著作。整整三个寒暑，心无旁骛，埋头研读，每天坚持12小时以上，将买来或借来的全部力学书籍读了个遍，还将相关的现代数学、偏微分方程、积分方程、原子物理、量子力学、统计力学、相对论、分子结构、量子化学等学科理论进行了醉心的研究。这种“笨办法”为钱学森奠定了深厚的理论功底，钱学森戏称为“三年出货”法。他认为：基础打得不牢，总是要吃亏的，一定要积下足够的老本，才能举一反三触类旁通。此后，仅用一年时间，钱学森在航空结构理论研究中便取得了突破性进展。
在冯·卡门教授的指导下，年6月，完成了《高速气动力学问题的研究》等4篇博士论文，取得了航空和数学博士学位。由冯·卡门的推荐，钱学森被聘为加州理工学院航空系助理研究员，成了冯·卡门的直接助手。在年美国航空学会年会上，钱学森宣读了一篇薄壳体稳定性研究论文，引起了与会者的极大兴趣，这个难度极大而又极具实用价值的开拓性研究成果得到了同行们的高度评价，钱学森赢得了很高的声誉，在航空工程技术理论领域，进入了国际知名学者的行列。钱学森的才干在实验研究中发挥得更为出色。
麻省理工从年起，钱学森便成了冯·卡门领导的古根海姆航空实验室的研究生。他对火箭技术兴趣很浓，便与同窗好友马林纳发起成立了火箭研究小组，进行火箭发动机试验，由于点火不良，试验连连失败，爆炸时有发生，他们不顾有毒气体有损健康，坚持进行一系列的再试验，尔后对试验结果进行分析。还完成了火箭发动机喷管扩散角对推力影响的计算。次年，他们在阿洛约赛克建立了第一座火箭试验台，引起了有关当局的注意，并得到空军的支持。军方委托加州理工学院举办喷气技术训练班，钱学森被聘为教员，受训的学员，后来都成了美军火箭导弹部队的军官。
年，由于反法西斯战争的需要，美国军方决定研制实战导弹，慎重委托钱学森负责用火箭发动机推动导弹这一重大课题的研究。当年11月，钱学森便与马林纳一起提出了三种火箭(导弹)的设计方案，经冯·卡门指点，将报告连同冯·卡门的备忘录一起递交给军方，受到军事当局的高度重视。这份报告为美国四、五十年代成功研制地对地导弹和探空火箭奠定了基础。由于希特勒德国研制了V一2火箭，美国当局立即决定委托冯·卡门加紧研究远程火箭。年2月，冯·卡门向陆军军械署提交的研制计划中，推荐钱学森负责理论组。钱学森找来了老同学林家翘、钱伟长等，从弹道分析，燃烧室热传导与燃烧理论人手，研究远程火箭的有关理论问题，钱学森还向冯·卡门建议运用新的军事思想和方法从事火箭技术研究。钱学森主动地、创造性地配合老师的工作，为美国火箭事业的建立与发展作出了不可磨灭的重大贡献。
年5月8日，德国法西斯宣布无条件投降，第二次世界大战胜利结束。新组建的美国空军科学咨询团在少将团长冯·卡门的率领下来到德国接管，考察及研究德国的火箭技术，被任命为上校团员的钱学森参加了这次考察。期间，“空气动力学之父”路德维格·普朗特，向咨询团介绍了德国火箭研究工作情况，作为战犯，他也接受了有关V一2型火箭研究的审讯。
导弹回美国以后，钱学森向空军领导人作了精彩的考察报告，得到了空军司令亨利·阿诺德上将的通令嘉奖。不久，钱学森在冯·卡门领导下，参与了为美国空军提供火箭远景发展规划的制定工作。美国军方在总结第二次世界大战军事技术工作时，对钱学森的评价是：为法西斯战争的胜利作出了“巨大的无法估价的贡献”。钱学森被舆论称为“帮助美国成为世界第一流军事强国的科学家银河中一颗明亮的星”，是“制定美国空军从螺旋桨式向喷气式飞机过渡并最后向遨游太空无人航天器过渡的长期规划的关键人物。”
钱学森被加州理工学院提升为副教授，并兼任航空喷气公司的技术顾问，美国海军火炮研究所顾问。
年2月，经冯·卡门的推荐，钱学森成了麻省理工学院的终身教授，时年36岁。