１９５６年春，周恩來總理親自領導數(shù)百名科學技術專家，制訂新中國第一個遠大的規(guī)劃——《１９５６至１９６７年科學技術發(fā)展遠景規(guī)劃綱要》，確定了５７項國家重要科學技術任務。由錢學森主持，在王弼、沈元、任新民等的合作下完成了第３７項（《噴氣和火箭技術的建立》）的規(guī)劃。錢學森等在這項重要科學技術任務的說明書中指出：“噴氣和火箭技術是現(xiàn)代國防事業(yè)的兩個主要方面：一方面是噴氣式的飛機，一方面是導彈。沒有這兩種技術，就沒有現(xiàn)代的航空，就沒有現(xiàn)代的國防。建立了噴氣和導彈的技術，民用航空方面的科學技術問題也就不難解決”；“本任務的預期結果是建立并發(fā)展噴氣和火箭技術，以便在１２年內使我國噴氣和火箭技術走上獨立發(fā)展的道路并接近世界先進的科學技術水平，以滿足國防的需要”；解決本任務的途徑：“必須盡先建立包括研究、設計和試制的綜合性的導彈研究機構，并逐步建立飛機方面的各個研究機構”；解決本任務的大體進度：“１９６３—１９６７年，在本國研究工作的指導下，獨立進行設計和制造國防上需要的、達到當時先進性能指標的導彈”；組織措施是：“在國防部的航空委員會下成立導彈研究院，該院自１９５６年起開始建設，１９６０年建成”。１９５６年５月１０日，聶榮臻元帥提出《關于建立我國導彈研究工作的初步意見》，并且建議：在航空工業(yè)委員會下設立導彈管理局，錢學森任總工程師；建立導彈研究院，錢學森任院長。錢學森很快受命負責組建我國第一個火箭、導彈研究院——國防部第五研究院。１９５６年１０月８日，恰好是錢學森回歸祖國一周年的日子，聶榮臻元帥親自主持五院成立儀式。這一天也是對新中國１５６名大學畢業(yè)生進行導彈專業(yè)教育訓練班的開課紀念日。錢學森主講《導彈概論》。在１９４２年加州理工學院噴氣技術訓練班授課１４年之后，錢學森為能在自己的國家培養(yǎng)我國第一批火箭、導彈技術人才，感到無比激動。這批受訓的大學生，后來成為我國火箭、導彈與航天技術隊伍的骨干。１９５７年２月１８日，周恩來總理簽署國務院命令，任命錢學森為國防部第五研究院第一任院長。從此，在周恩來總理、聶榮臻元帥直接領導下，錢學森開始了作為新中國火箭、導彈和航天事業(yè)技術領導人的長期經歷。１９５７年１１月１６日，周恩來總理任命錢學森兼任國防部第五研究院一分院院長。１９５８年５月２９日，聶榮臻元帥同黃克誠、錢學森一起部署了我國第一枚近程導彈的制造工作。１９６０年１１月５日，在聶榮臻元帥現(xiàn)場親自指導下，以張愛萍將軍為主任，孫繼先、錢學森、王諍為副主任的試驗委員會，在我國酒泉發(fā)射場成功地組織了我國制造的第一枚近程導彈的飛行試驗。正如聶榮臻元帥在慶祝宴會的祝酒詞中所說，在祖國的地平線上，飛起了我國自己制造的第一枚導彈，這是我國軍事裝備史上一個重要的轉折點。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。１９６６年１０月２７日，遵照周恩來總理“嚴肅認真、周到細致、穩(wěn)妥可靠、萬無一失”的指示，錢學森協(xié)助聶榮臻元帥，在酒泉發(fā)射場直接領導了用中近程導彈運載原子彈的“兩彈結合”飛行試驗，導彈飛行正常，原子彈在預定的距離和高度實現(xiàn)核爆炸。這次史無前例的試驗標志著中國開始有了用于自衛(wèi)的導彈核武器，也標志著《１９５６至１９６７年科學技術發(fā)展遠景規(guī)劃綱要》規(guī)定的“１９６３—１９６７年在本國研究工作的指導下，獨立進行設計和制造國防上需要的、達到當時先進性能指標的導彈”這一任務的提前完成。第二天，即１９６６年１０月２８日，《紐約時報》用這樣的文字報道了這一重大事件：“一位１５年中在美國接受教育、培養(yǎng)、鼓勵并成為科學名流的人，負責了這項試驗，這是對冷戰(zhàn)歷史的嘲弄。１９５０—１９５５年的５年中，美國政府成為這位科學家的迫害者，將他視為異己的共產黨分子予以拘捕，并試圖改變他的思想，違背他的意愿滯留他，最后才放逐他出境回到自己的祖國。”

早在１９５３年，錢學森就研究了星際航行理論的可行性。１９５８年，中國科學院成立以錢學森為組長、趙九章和衛(wèi)一清為副組長的領導小組，負責籌建人造衛(wèi)星、運載火箭以及衛(wèi)星探測儀器和空間物理的設計、研究機構。１９６１年６月，在錢學森、趙九章等的倡導下，中國科學院開始舉辦了持續(xù)１２次的星際航行座談會，錢學森在第一次座談會上發(fā)表了題為《今天蘇聯(lián)及美國星際航行火箭動力及其展望》的講演。１９６３年，中國科學院成立了由竺可楨、裴麗生、錢學森、趙九章領導的星際航行委員會，負責組織制訂星際航行發(fā)展規(guī)劃，安排預先研究課題。１９６５年１月８日，錢學森正式向國家提出報告，建議早日制訂我國人造衛(wèi)星的研究計劃并列入國家任務。錢學森指出：“自從蘇聯(lián)在１９５７年１０月４日發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來，中國科學院及原第五研究院對這項新技術就有些考慮，但未作為研制任務。現(xiàn)在看來，人造衛(wèi)星有以下幾種已經明確的用途：測地衛(wèi)星、通訊及廣播衛(wèi)星、預警衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、導航衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星。重量更大的載人衛(wèi)星在國際上的應用，現(xiàn)在雖然還不十分明確，也得有所準備。現(xiàn)在我國彈道式導彈已有一定的基礎，現(xiàn)有型號進一步發(fā)展，即能發(fā)射１００公斤左右重量的儀器衛(wèi)星。這些工作是復雜艱巨的，必須及早開展有關的研究、研制工作，才能到時拿出東西。因此建議國家早日制訂我國人造衛(wèi)星的研究計劃，列入國家任務，促進這項重大的國防科學技術的發(fā)展�！甭櫂s臻元帥很重視錢學森的建議，指出：“只要力量上有可能，就要積極去搞�！保保梗叮的辏丛拢玻谷�，國防科委向中央專門委員會報告了邀請張勁夫、錢學森、孫俊人及國家科委、國防工辦專業(yè)局的負責同志和專家進行研究的結果，提出了在１９７０年或１９７１年發(fā)射我國重量為１００公斤左右的第一顆人造地球衛(wèi)星的設想。中央專門委員會于１９６５年５月４日、５日召開的第１２次會議和８月９日、１０日召開的第１３次會議，原則批準了我國第一顆人造衛(wèi)星的規(guī)劃方案，以及爭取在１９７０年左右發(fā)射我國第一顆人造衛(wèi)星的設想。錢學森為解決人造衛(wèi)星研制中的許多關鍵技術問題貢獻了智慧。譬如，在１９６６年６月下旬，第一顆人造衛(wèi)星的運載火箭“長征一號”，為解決滑行段噴管控制問題而進行的滑行段晃動半實物仿真試驗，出現(xiàn)了晃動幅值達幾十米的異�，F(xiàn)象。錢學森親臨現(xiàn)場，在討論中認定：此現(xiàn)象在近于失重狀態(tài)下產生，原晃動模型已不成立，此時流體已呈粉末狀態(tài)，晃動力很小，不影響飛行。后來多次飛行試驗證明，這個結論是正確的。在“文化大革命”的日子里，錢學森協(xié)助周恩來總理，為領導人造衛(wèi)星研制計劃的正常進行，發(fā)揮了特殊的作用，譬如，由于“文化大革命”，“長征一號”運載火箭試車無法進行，１９６９年７月１７日、１８日、１９日和２５日，周恩來總理連續(xù)４次召開會議，解決二級和三級地面試車問題，委派錢學森協(xié)同七機部軍管會副主任楊國宇全權處理有關試車事宜，從而得以在８月２２日取得試車成功。１９７０年，在周恩來總理的直接關懷下，錢學森、李福澤、楊國宇、任新民、戚發(fā)韌等在酒泉衛(wèi)星發(fā)射場組織實施了第一顆人造衛(wèi)星的發(fā)射工作。１９７０年４月２４日，重量為１７３公斤的我國第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功。錢學森和發(fā)射基地的領導人及試驗隊的代表在現(xiàn)場發(fā)表了熱情洋溢的講話。“五一”國際勞動節(jié)晚上，毛澤東主席、周恩來總理在天安門城樓上接見了錢學森、任新民等參加第一顆衛(wèi)星工程研制的代表。這顆衛(wèi)星向全世界播送的《東方紅》樂曲，宣告了新中國迎來了航天時代的黎明。