到加州理工學(xué)院的第二年，即１９３７年秋，錢(qián)學(xué)森認(rèn)識(shí)了熱心研究火箭技術(shù)的同學(xué)Ｆ．Ｊ．馬林納（Ｍａｌｉｎａ），共同具有的火箭、音樂(lè)和政治興趣，使兩位青年結(jié)成良友。由馬林納介紹，錢(qián)學(xué)森參加了當(dāng)時(shí)加州理工學(xué)院的馬列主義學(xué)習(xí)小組，也得識(shí)該小組的書(shū)記、化學(xué)物理助理研究員Ｓ．威因鮑姆（Ｗｅｉｎｂａｕｍ）。小組曾念過(guò)英國(guó)Ｊ．Ｓ．Ｌ．斯崔奇（Ｓｔｒａｃｈｅｙ）著的一本書(shū)，后來(lái)也學(xué)習(xí)過(guò)恩格斯的《反杜林論》；每星期例會(huì)常討論時(shí)事，主題是反法西斯和人民陣線(xiàn)；小組還參加過(guò)美國(guó)共產(chǎn)黨書(shū)記Ｅ．白勞德（Ｂｒｏｗｄｅｒ）的幾次講演會(huì)。１９３８年冬，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，不少小組成員加入了美國(guó)共產(chǎn)黨，也有人參加了軍事研究，這個(gè)小組就無(wú)形解散了。后來(lái)，馬林納在麥卡錫（ＪｏｓｅｐｈＲ．ＭｃＣａｒｔｈｙ）主義反動(dòng)浪潮席卷美國(guó)的初期，辭去了加州理工學(xué)院的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室主任職務(wù)，去巴黎為聯(lián)合國(guó)教科文組織服務(wù)，并成為現(xiàn)代派畫(huà)家，１９８１年１１月９日在巴黎病逝。

錢(qián)學(xué)森在加州理工學(xué)院的博士論文工作是在１９３９年６月結(jié)束的，論文為《高速氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究》等四篇。取得航空和數(shù)學(xué)博士學(xué)位后，任加州理工學(xué)院航空系的助理研究員，一直到１９４４年。在這一段時(shí)間內(nèi)，先從事薄殼體穩(wěn)定性的研究，１９４０年完成了研究課題，并撰寫(xiě)了論文在美航空學(xué)會(huì)年會(huì)上宣讀，算是獨(dú)立研究，出了師。此后錢(qián)學(xué)森成為馮·卡門(mén)的助手，幫助他指導(dǎo)研究生的論文。１９４０年，由于王助的推薦，錢(qián)學(xué)森成為成都航空研究所的通訊研究員，寫(xiě)了一篇題為《高速氣流突變之測(cè)定》的專(zhuān)論（刊登在該所報(bào)告第二號(hào)）。

１９４１年，從加拿大來(lái)了幾位庚子賠款的留學(xué)生：郭永懷、林家翹、傅承義，１９４２年又來(lái)了錢(qián)偉長(zhǎng)。錢(qián)學(xué)森和他們相處得比較密切，一般是一起吃晚飯，并常常討論各種問(wèn)題。錢(qián)偉長(zhǎng)多才多藝，傅承義專(zhuān)攻地球物理。錢(qián)學(xué)森和郭永懷最相知（后來(lái)在１９５７年初，有關(guān)方面詢(xún)問(wèn)誰(shuí)是承擔(dān)核武器爆炸力學(xué)工作最合適的人選時(shí)，錢(qián)學(xué)森毫不遲疑地推薦了郭永懷）。１９４３年秋冬，周培源也到加州理工學(xué)院來(lái)做研究工作，找馮·卡門(mén)教授討論湍流統(tǒng)計(jì)理論等。這一群中國(guó)同學(xué)，還有張捷遷、畢德顯，星期天總到周培源老師家去玩，高談國(guó)事，也替師母王蒂澂烹制午晚餐。

到１９４２年，錢(qián)學(xué)森的研究工作已有了成績(jī)，并教了些學(xué)生；同時(shí)由于美國(guó)戰(zhàn)時(shí)軍事科學(xué)研究的需要，暫時(shí)放松了對(duì)外國(guó)人的限制，故得以參加機(jī)密性工作。１９３９年前后，美國(guó)空軍開(kāi)始支持火箭研究。１９４２年，美國(guó)軍方委托加州理工學(xué)院舉辦噴氣技術(shù)訓(xùn)練班，錢(qián)學(xué)森是教員之一，與陸海空三軍技術(shù)人員有了接觸。后來(lái)美軍從事火箭導(dǎo)彈的軍官中，有不少是他當(dāng)時(shí)的學(xué)生。１９４４年，美國(guó)陸軍得知德國(guó)研制Ｖ－２火箭的情報(bào)，遂委托馮·卡門(mén)教授領(lǐng)導(dǎo)，馬林納為副，大力研究遠(yuǎn)程火箭。美軍原始型的“下士”式導(dǎo)彈就是他們那時(shí)開(kāi)始設(shè)計(jì)的。錢(qián)學(xué)森負(fù)責(zé)理論組，把林家翹、錢(qián)偉長(zhǎng)也請(qǐng)了來(lái)，進(jìn)行彈道分析、燃燒室熱傳導(dǎo)、燃燒理論研究等工作。同時(shí)錢(qián)學(xué)森還當(dāng)了航空噴氣公司（ＡｅｒｏｊｅｔＣｏｍｐａｎｙ）的技術(shù)顧問(wèn)，加州理工學(xué)院提升錢(qián)學(xué)森為講師。馮·卡門(mén)對(duì)錢(qián)學(xué)森是很欣賞的，所以在１９４５年初他被空軍聘為科學(xué)咨詢(xún)團(tuán)團(tuán)長(zhǎng)的時(shí)候，提名錢(qián)學(xué)森為團(tuán)員。這個(gè)團(tuán)為美國(guó)空軍提供了一個(gè)遠(yuǎn)景發(fā)展意見(jiàn)，錢(qián)學(xué)森從中學(xué)到從大處和遠(yuǎn)處設(shè)想科技發(fā)展問(wèn)題的方法。１９４５年５月，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束的前夕，錢(qián)學(xué)森隨科學(xué)咨詢(xún)團(tuán)去歐洲，考察英、德、法等國(guó)的航空研究，特別是法西斯德國(guó)的火箭技術(shù)發(fā)展情況。這時(shí)加州理工學(xué)院提升他為副教授。這一時(shí)期，他取得了在近代力學(xué)和噴氣推進(jìn)的科學(xué)研究方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)，成為當(dāng)時(shí)有名望的優(yōu)秀科學(xué)家。馮·卡門(mén)這樣評(píng)價(jià)錢(qián)學(xué)森：“他在許多數(shù)學(xué)問(wèn)題上和我一起工作。我發(fā)現(xiàn)他非常富有想象力，他具有天賦的數(shù)學(xué)才智，能成功地把它與準(zhǔn)確洞察自然現(xiàn)象中心物理圖象的非凡能力結(jié)合在一起。作為一個(gè)青年學(xué)生，他幫我提煉了我自己的某些思想，使一些很艱深的命題變得豁然開(kāi)朗�！�

１９４６年暑期，馮·卡門(mén)教授因與加州理工學(xué)院當(dāng)局有分歧而辭職，作為馮·卡門(mén)的學(xué)生，錢(qián)學(xué)森也離開(kāi)加州理工學(xué)院，再到麻省理工學(xué)院任副教授，專(zhuān)教空氣動(dòng)力學(xué)專(zhuān)業(yè)的研究生。１９４７年初，３６歲的錢(qián)學(xué)森進(jìn)入了麻省理工學(xué)院年輕的正教授行列。同年夏季，錢(qián)學(xué)森向麻省理工學(xué)院當(dāng)局請(qǐng)假回國(guó)探親，９月中和蔣英結(jié)婚。蔣英是蔣百里、蔣左梅夫婦的第三女，生于１９２０年９月，是在維也納和柏林受過(guò)良好的音樂(lè)教育的女高音聲樂(lè)家。蔣百里是舊中國(guó)著名的軍事理論家，蔣左梅是日裔友人。

１９４８年祖國(guó)解放事業(yè)勝利在望，錢(qián)學(xué)森開(kāi)始準(zhǔn)備歸國(guó)。為此他要求退出美國(guó)空軍科學(xué)咨詢(xún)團(tuán)，但直到１９４９年才得以實(shí)現(xiàn)。他兼任的美國(guó)海軍炮火研究所顧問(wèn)的職務(wù)，直到１９４９年秋從麻省理工學(xué)院回到加州理工學(xué)院就任噴氣推進(jìn)技術(shù)教授職務(wù)時(shí)才辭去。

１９４９年５月２０日，錢(qián)學(xué)森收到美國(guó)芝加哥大學(xué)金屬研究所副教授研究員、留美中國(guó)科學(xué)工作者協(xié)會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)留美科協(xié)）美中區(qū)負(fù)責(zé)人葛庭燧寫(xiě)來(lái)的信，同時(shí)轉(zhuǎn)來(lái)１９４９年５月１４日曹日昌教授（中共黨員，當(dāng)時(shí)在香港大學(xué)任教）寫(xiě)給錢(qián)學(xué)森的信，轉(zhuǎn)達(dá)即將解放的祖國(guó)召喚他返國(guó)服務(wù)、領(lǐng)導(dǎo)中華人民共和國(guó)航空工業(yè)建設(shè)之切切深情。這時(shí)錢(qián)學(xué)森還看到周培源給林家翹的信，得知北京西郊解放時(shí)的良好情況。也見(jiàn)到在加州理工學(xué)院當(dāng)研究生的羅沛霖（曾經(jīng)以非黨技術(shù)人員身份在延安工作過(guò)），他認(rèn)為錢(qián)學(xué)森回國(guó)為解放了的祖國(guó)服務(wù)的時(shí)候到了。錢(qián)學(xué)森遂加緊了回祖國(guó)的準(zhǔn)備，以便實(shí)現(xiàn)他多年的夙愿。