1934年，这位22岁的学生科学家以物理学博士学位毕业于柏林大学。他的毕业论文论述了液体推进剂火箭发动机理论和实验的各个方面，柏林大学把这篇论文评为最高等级：特优。在这篇论文中，年轻的冯·布劳恩试图分析并测定火箭发动机中发生的复杂的喷射、雾化、燃烧、离解、气态平衡和膨胀现象等问题，并就这些问题进行了探索和阐述。
在当时，液体推进剂火箭还是一种新事物，而固体燃料火箭早在几百年以前就有了。航天理论家齐奥尔科夫斯基和奥伯特都曾指出：就产生更强的推力来说，液体推进剂有着巨大的潜力。布劳恩他们的火箭飞行场的主要目标就是把这些建议应用于实践。这时的液体燃料，是以液态氧为氧化剂，碳氢化合物为燃烧剂。时至今天，许多大型的弹道导弹还是以液体燃料为动力。布劳恩等人的工作，就是要为火箭飞行的点火、混合、冷却、控制剧烈燃烧等问题提供方法和答案，把液体的发动机和燃料箱组合成一个运载工具，发射上天。
1932年的冬天，布劳恩在德国陆军的支持之下，组织了自己的实验室，任务是发展液体推进剂火箭。在军方的一个试验井中，布劳恩小组造出了可以产生300公斤推力的再生冷却液氧——酒精发动机。1934年，他们将这种发动机装在A-2火箭上，成功地进行了发射试验二战结束以前，美国的火箭技术还不很发达，只能生产无控制火箭，比如火箭筒，小型固体燃料火箭和弹丸推进火箭。
从1946年初到1951年7月，美国的火箭试验的实际工作在布劳恩小组的实际参与和指导下全面展开，通过与通用电气公司的密切合作，火箭试验特别是V-2火箭试验取得了巨大的进展。1946年-1951年的6年中，美国陆军试验发射了70枚V-2火箭。试验为火箭飞行积累了大量的数据，取得了丰富的经验。这些实验大都是在布劳恩及其同事的严密监督和积极参与下完成的，也正是由于布劳恩等人参与，“美国的V-2计划”才得以大大扩大起来。
在美国进行的V-2计划的主要目的是进行高层大气研究，借以取得数据，但同时也为其他有用的目的服务。布劳恩等人在装配、飞行前检验、发射和操纵，以及大型液体燃料导弹的发射等复杂问题上都取得了宝贵的经验。美国制造的操纵控制系统和其他导弹部件在德国科学家的帮助下进行了试验，导弹在飞行中的性能和偏航、侧滚、俯仰运动为以后的导弹发射提供了重要的数据资料。
试验的过程中，布劳恩在火箭技术上也取得了自己前所未有的突破：他主持发射的火箭飞得越来越高，速度越来越快，推力越来越大，落点越来越准确，大型火箭不仅可以从地面发射，还可以在海洋舰艇上发射。由于布劳恩等人的努力工作和丰富的知识经验，美国的V-2计划取得长足进展，美国的实验机构也认识到V-2的巨大作用，开始加以利用。
当时由于战争刚刚结束，人们对于新的武器开发不感兴趣，所以布劳恩用于试验的经费是非常有限的。在这种情况下，美国政府和火箭试验基地的领导人们共同决定：研制一种小型超音速冲压喷气发动机为实验用飞行器。布劳恩小组成了这一项目的负责者，这种飞行器被命名为“赫姆斯2号”。
对于布劳恩来说，这是一个很好很有趣的计划。在当时的环境下，从事这项试验又具有很大的挑战性，因为资金设备并不像在德国时那样充足，预算很少，设备是临时凑合的。但是布劳恩带领他的小组还是以惊人的才能把这项工作完成了。他们把两辆旧拖车改装成扩散器和燃烧实验台；空气由陆军过剩的一组机动压气机供应。为了在更有代表性的飞行高度条件下进行试验，他们硬是把全部设备拖到海拔10000英尺的内华达山脉上，在气压很低的情况下进行试车。布劳恩还在超音速冲压发动机扩散器、燃料喷射法、火焰稳定器等许多方面进行了试验，在一个新的领域中获得了大量知识。
对于布劳恩个人来说，从1946年到1951年是他调整、清理和重估的时期，也是他一生最快乐的一个阶段。
1947年3月他获准回德国与他的姨表妹玛丽亚结婚，婚后他们一起返回美国。1948年底，他们的儿子艾里斯出生了。
从1939年到1945年的战争岁月中，布劳恩始终过着一种忙碌而又纷乱的生活，经历着一个又一个的危机。事实上，真正可以激励布劳恩进行科学研究的并不是战争武器，而是航天旅行。而在德国，一切科研都只能是在军界的指令性计划下进行，一切都要为战争需要而进行，航天旅行这种和平发展的科学项目在当时是异端，是不合时宜的，只能偷偷地搞。
到了美国之后，不太繁重的工作使布劳恩的精神得以恢复，这种被压抑的力量重新进发出来，在工作之余，布劳恩根据V-2所产生的火箭推进技术的现状，开始研究大规模火星探险的可能性。为了把与这种探险有关的许多技术问题和非技术问题集中起来，布劳恩把自己的设想写成一部小说，名为《火星计划》。
在《火星计划》中，他指出人类进行大规模火星探险的基础是应用装有火箭的飞行器，在小说的附录中，布劳恩就这种飞行器的性能进行了深入细致的分析。布劳恩认真仔细地根据当时火箭技术条件的现状进行了种种假设，从工程学理论的角度证明人类从事大规模星际探险是完全可能的。他还指出，对探险后人还能不能活下来的问题作出明确问答之前，还必须对许多其他领域进行大量的研究，特别是人的因素方面。同时，他还认为，要实现载人宇宙飞行，必须实现超出国家界限进行努力。
1948年，布劳恩怀着极大的期望把《火星计划》的书稿寄给纽约的一家出版社。6个星期后，稿件被退了回来，复信中写道“太不可思议了！”布劳恩又把稿件寄到其他出版社去，依然被拒绝了，这样的退稿共计18次，最后布劳恩一气之下，把书稿藏到了阁楼顶上。我们可以想象，布劳恩的这部小说，如果作为科幻小说来说，未免太务实太平淡，但作为科学报告，又未免太离奇和不可思议。后来他的这部《火星计划》寄给一个专业作家，被改编成了一部扣人心弦的科幻小说出版，并作了大量改动，布劳恩署名为合著者。
在《火星计划》中，布劳恩设想：用10艘航天飞船组成一支飞船队，乘员则不少于70人，飞船队的每艘飞船将在2小时的绕地球运动中组织起来，部分可以重新使用的三级渡运火箭将把一切必需要的物资如推进剂、构件、生活供应和人员运送到轨道上。这些飞船在首次主动力飞行中将离开出发轨道，脱离地球重力场，进入环绕太阳的椭圆形轨道航行。当飞船队在与火星转道相切的椭圆形轨道上达到太阳远点时，它们将会受到火星重力的吸引，这时通过发动机的作用，进入绕火星的轨道，然后降落、登陆。用大致相同的方法，宇航员们会安全回到地球。
从技术上看，布劳恩的《火星计划》是合理的，今天依然切实可行，只要有足够的人力和物力。布劳恩为人类走向宇宙，奔向火星指明一条航线。
布劳恩在业余时间进行写作，每天白天，他要沉思在繁杂的陆军导弹计划之中。1950年，美国陆军制定了第一个大型导弹计划——红石计划。布劳恩全力以赴，担负起了这一庞大复杂工程的最重要部分——动力系统和制导系统。
一枚导弹大体由三个部分组成，即动力装置、制导系统和战斗部。而动力和制导又是最主要和最复杂的部分。由于布劳恩的辛勤努力，美国终于研制出了先进的中远程弹道导弹——红石导弹。在这枚导弹中，装有一个完整的弹道导弹惯性制导系统，应用了晶体管放大器。布劳恩小组还改进了导弹头锥的材料，使之更加耐热。因为中远程弹道导弹的自由飞行段是在外层空间飞行，重返大气层时因速度大，摩擦生热会溶化弹体头锥，损坏战斗部。小组在改用玻璃纤维材料后，成功地发射了中程3级红石火箭。
1956年2月，美国成立陆军弹道导弹局，布劳恩担任了该局的技术指导。在这里布劳恩的杰出组织才能和才智得以展现和发挥，不仅使这里发展成为一个巨大的科研中心，一切研制工作井井有条，而且在他的倡导和参与下，美国取得了水下潜艇发射运载火箭的成功。这一成果后来发展为北极星潜艇弹道导弹。