与此同时，在聂帅统一领导下，中国科学院成立了新技术局，于1961年组织力学所与动力室和哈尔滨工程力学所合并，钱学森任所长，郭永怀、吴仲华、张从周、杨刚毅、黎映霖、李树诚为副所长，代号中国科学院新技术局“101单位”，负责导弹与喷气技术的先期理论与测试研究。1960年11月，合并后的力学所承担了由国防科委下达的五院课题“导弹壳体（加筋板、壳）强度与稳定性”、“火箭动力系统与燃烧理论”、“火箭再入大气层的气动力特性”、“烧蚀计算与试验”、“特殊条件下固体力学与气动力学特性的实验与测试技术”五大研究课题（称为501~505任务）。1961年春，在中国科学院怀柔试验基地由力学所13室与化学所联合建设了硝酸苯胺、液氢液氧火箭推力试车台，1962年春钱学森亲自指导了点火试验获得成功。至1962年底，力学所完成了全部科研报告，送交五院。对此，钱学森曾高兴的对力学所当时党委书记兼副所长张从周说：“由于保密制度，许多做具体工作的同志不知道他所工作的重大意义，但我知道这些报告的分量，即使是不成功的结果，对总体设计都是有指导意义的。这就是科学工作的‘接力赛’，‘大兵团联合作战’，这就是社会主义的优越性！”
在主战场，1960年11月5日，国防科委系统由聂帅现场指导，张爱萍为主任，孙继光、钱学森、王诤为副主任的试验委员会在甘肃酒泉成功发射了我国第一枚近程导弹，完成飞行试验任务。六年后，1966年10月27日，在酒泉发射场，用中、近程导弹运载原子弹的“两弹结合”飞行试验和爆炸试验圆满成功。
早在1953年钱学森就研究了星际航行理论的可行性。1958年中国科学院成立了以钱学森为组长、赵九章、卫一清为副组长的领导小组，负责筹建人造卫星、运载火箭以及卫星探测仪器和空间物理的设计、研究。为了动员全国科技力量，在学术上作好准备，自1961年6月至1962年底，在钱学森、赵九章倡导下，中国科学院数理化学部与技术科学部组织数、理、化、天、地、生及声、光、电、半导体、遥感、自动化、医学等多种学科，多种高新技术领域的高层专家持续进行了十二次星际航行座谈会。钱学森在第一次会上作“今天苏联及美国星际航行火箭动力及其展望的报告”。之后，中国科学院成立了星际航行委员会，1965年1月8日，钱学森正式向国家提出报告，说：“现在我国弹道式导弹已有一定基础，现有型号进一步发展，即能发射100公斤左右重量的仪器卫星。…必须及早开展有关研究。”在研制过程中，钱学森亲临实验场，指导关键技术问题，1970年4月24日，在周总理的直接关怀下，钱学森与李福译等人在酒泉卫星发射场指挥，发射了重量为173公斤的我国第一颗人造卫星，响彻世界的东方红乐曲宣告了新中国迎来了航天时代的黎明。当年的“五一节”，毛主席和周总理接见了钱学森。
钱学森长期担任我国火箭、导弹、航天计划的技术领导人。自1965年2月15日任第七机械工业部副部长，1968年兼任中国空间研究院第一任院长，1970年6月12日任国防科学技术委员会副主任，1982年任国防科学技术工业委员会科学技术委员会副主任（1987年7月任高级顾问）。
1979年钱学森获加州理工学院“杰出校友奖”（the distinguished alumni award）。1985年钱学森因对我国战略导弹技术的贡献，与屠守锷等人获全国科技进步特等奖。1989年6月29日，国际技术与技术交流大会授予钱学森“威拉德w. f. 小罗克韦尔（rockwell, jr.）奖章和“世界级科学与工程名人”、“国际理工研究所名誉成员”的称号，表彰他对火箭导弹技术、航天技术和系统工程理论做出的重大开拓性贡献。1991年10月16日，钱学森被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和全军一级英雄模范奖章。1999年9月中共中央国务院授予他“两弹一星功勋奖章”。
2007年，美国《航空和空间技术周刊》评选钱学森为年度人物5）。该刊说：“2007年航空航天领域的最重大变化莫过于中国加入太空大国的顶尖行列”。美国《华盛顿时报》说：“2003年，中国成为第三个将人送入太空的国家，2007年初，北京试射了一枚反卫星导弹。《航空和空间技术周刊》认为，此举显示‘中国掌握了先进的探测、跟踪和轨道精确控制技术，而此前，只有美国和俄罗斯具备这些能力。’10月（指2007年），中国又发射了一颗探月卫星。”该刊在宣扬冷战的同时，也不得不尊钱学森为“中国航空工业之父”。
开创性的科学贡献
钱学森在国内共出版专著7部，论文300余篇。2000年12月出版的《钱学森手稿》一书见证了他早期的科学工作，以及他创造性的成就和所涉及的广泛领域。
应用力学
在空气动力学方向，钱学森开拓性的工作集中表现在三方面：
1．1938年，钱学森与冯•卡门合作进行可压缩流动边界层研究，给出了马赫数计算公式，这一问题与垂直起飞的火