1935年8月的一天，钱学森从上海乘坐美国邮船公司的船只离开祖国。黄浦江浊浪翻滚，望着渐渐模糊的上海城，钱学森在心中默默地说：“再见了，祖国。你现在豺狼当道，混乱不堪，我要到美国去学习技术，他日归来为你复兴效劳。”
钱学森到美国进入麻省理工学院航空系，学习成绩一直名列前茅。学工程要到工厂去实践，可当时美国航空工厂歧视中国人，所以一年后他开始转向航空工程理论，即应用力学的学习。1936年10月他转学到加州理工学院。钱学森是慕名而去的。因为，坐落在洛杉矶市郊帕萨迪纳的加州理工学院航空系，有一位大名鼎鼎的空气动力学教授冯·卡门。他是匈牙利人。
20世纪30年代初，航空科学还处于襁褓之中。冯·卡门当时是这一领域的顶尖人物，后来被誉为“超音速飞行之父”。1970年，月亮上的某一陨石坑被冠以他的名字。
冯·卡门抬头仔细打量着这位仪表庄重、个子不高的年轻人，他提出几个问题让钱学森回答，钱学森稍加思索便异常准确地回答了他的所有提问。冯·卡门暗自赞许：这个中国人思维敏捷而又富有智慧。他高兴地收下了这位学生。
在冯·卡门的指导下，火箭研究取得了重大进展，为反法西斯战争的胜利作出了贡献。在那艰苦的日子里，钱学森显露出卓越的才能。一项在航空史上占有重要地位的航空科学公式：着名的“卡门——钱公式”诞生了。这是由冯·卡门命题，钱学森作出结果，至今在航空技术研究中广泛使用的一项公式。
到加州理工学院的第二年，钱学森认识了研究火箭技术的同学F.J·马林纳。经马林纳介绍，钱学森参加了当时加州理工学院的马列主义学习小组，得识该小组的书记、化学物理助理研究员威因鲍姆。在小组里，钱学森同大家一起学习过恩格斯的《反杜林论》；每星期例会经常讨论时事。1938年冬，第二次世界大战爆发后，这个小组解散。
鉴于钱学森研究工作的出色成绩和美国战时军事科学研究的需要，他得以参加机密性工作。1944年，美国军方委托冯·卡门教授为首，马林纳为副，大力研究远程火箭。钱学森负责理论组，把林家翘、钱伟长也请了来，进行弹道分析、燃烧室热传导、燃烧理论研究等工作。与此同时，钱学森还担任了航空喷气公司的技术顾问。1945年初，他还被美国空军聘为科学咨询团团员。这一时期，他取得了在近代力学和喷气推进的科学研究方面的宝贵经验，成为当时有名望的优秀科学家。
第二次世界大战结束时，美国空军高度赞扬钱学森为战争的胜利作出了“巨大的贡献”。美国专栏作家密尔顿·维奥斯特认为，钱学森已是“制定使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远规划的关键人物”，“是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”。
1946年暑期，钱学森离开加州理工学院，再到麻省理工学院任副教授，专教空气动力学专业的研究生。1947年初，36岁的钱学森成为麻省理工学院的终身教授。同年夏季，钱学森请假回国探亲，9月中旬和蒋英（那时任中央音乐学院教授）结婚。蒋英是中国早期着名军事理论家蒋百里的三女儿，是在维也纳和柏林受过良好的音乐教育的女高音声乐家。
从1935年到1955年，钱学森在美国整整居住了20年。这期间，他在学术上取得了辉煌的成就，生活上享有丰厚的待遇，工作上拥有便利的条件。然而，他始终眷恋着生他养他的祖国。他在写给父亲的信中，不止一次地发出“旅客生涯做到何时”的感叹。