１９３５年８月，錢學森從上海坐美國郵船公司的船離國，同船的留美同學有徐芝綸、夏勤鐸等。當時錢學森的心情是：中國混亂，豺狼當道，暫時到美國去學些技術，他日回來為國效勞。到了美國入麻省理工學院航空系，成績不但比美國學生好，而且比同班的其他外國人都好，這使他感到作為一箇中國人而自豪。因為學工程一定要到工廠去，而當時美國航空工廠不歡迎中國人，所以一年後他開始轉向航空工程理論，即應用力學的學習。於是決定追隨當時在加利福尼亞理工學院（簡稱加州理工學院）的力學大師Ｔ．馮？卡門（ｖｏｎＫáｒｍáｎ）教授。１９３６年１０月，錢學森轉學到加州理工學院，開始了與馮？卡門教授先是師生後是親密合作者的情誼。馮？卡門第一次見到錢學森時，看到的是一位個子不高、儀表嚴肅的年輕人；他異常準確地回答了教授的所有提問；他思維的敏捷和富於智慧，頓時給馮？卡門以深刻的印象。馮？卡門教授教給錢學森從工程實踐提取理論研究物件的原則，也教給他如何把理論應用到工程實踐中去。馮？卡門每週主持一次研究討論會（ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）和一次學術研討會（ｓｅｍｉｎａｒ），這些學術活動給錢學森提供了鍛鍊創造性思維的良好機會。
錢學森（二）
到加州理工學院的第二年，即１９３７年秋，錢學森認識了熱心研究火箭技術的同學Ｆ．Ｊ．馬林納（Ｍａｌｉｎａ），共同具有的火箭、音樂和政治興趣，使兩位青年結成良友。由馬林納介紹，錢學森參加了當時加州理工學院的馬列主義學習小組，也得識該小組的書記、化學物理助理研究員Ｓ．威因鮑姆（Ｗｅｉｎｂａｕｍ）。小組曾念過英國Ｊ．Ｓ．Ｌ．斯崔奇（Ｓｔｒａｃｈｅｙ）著的一本書，後來也學習過恩格斯的《反杜林論》；每星期例會常討論時事，主題是反法西斯和人民陣線；小組還參加過美國共產黨書記Ｅ．白勞德（Ｂｒｏｗｄｅｒ）的幾次講演會。１９３８年冬，第二次世界大戰爆發後，不少小組成員加入了美國共產黨，也有人參加了軍事研究，這個小組就無形解散了。後來，馬林納在麥卡錫（ＪｏｓｅｐｈＲ．ＭｃＣａｒｔｈｙ）主義反動浪潮席捲美國的初期，辭去了加州理工學院的噴氣推進實驗室主任職務，去巴黎為聯合國教科文組織服務，併成為現代派畫家，１９８１年１１月９日在巴黎病逝。
錢學森在加州理工學院的博士論文工作是在１９３９年６月結束的，論文為《高速氣動力學問題的研究》等四篇。取得航空和數學博士學位後，任加州理工學院航空系的助理研究員，一直到１９４４年。在這一段時間內，先從事薄殼體穩定性的研究，１９４０年完成了研究課題，並撰寫了論文在美航空學會年會上宣讀，算是獨立研究，出了師。此後錢學森成為馮？卡門的助手，幫助他指導研究生的論文。１９４０年，由於王助的推薦，錢學森成為成都航空研究所的通訊研究員，寫了一篇題為《高速氣流突變之測定》的專論（刊登在該所報告第二號）。
１９４１年，從加拿大來了幾位庚子賠款的留學生：郭永懷、林家翹、傅承義，１９４２年又來了錢偉長。錢學森和他們相處得比較密切，一般是一起吃晚飯，並常常討論各種問題。錢偉長多才多藝，傅承義專攻地球物理。錢學森和郭永懷最相知（後來在１９５７年初，有關方面詢問誰是承擔核武器爆炸力學工作最合適的人選時，錢學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院來做研究工作，找馮？卡門教授討論湍流統計理論等。這一群中國同學，還有張捷遷、畢德顯，星期天總到周培源老師家去玩，高談國事，也替師母王蒂澂烹製午晚餐。
到１９４２年，錢學森的研究工作已有了成績，並教了些學生；同時由於美國戰時軍事科學研究的需要，暫時放鬆了對外國人的限制，故得以參加機密性工作。１９３９年前後，美國空軍開始支援火箭研究。１９４２年，美國軍方委託加州理工學院舉辦噴氣技術訓練班，錢學森是教員之一，與陸海空三軍技術人員有了接觸。後來美軍從事火箭導彈的軍官中，有不少是他當時的學生。１９４４年，美國陸軍得知德國研製Ｖ－２火箭的情報，遂委託馮？卡門教授領導，馬林納為副，大力研究遠端火箭。美軍原始型的“下士”式導彈就是他們那時開始設計的。錢學森負責理論組，把林家翹、錢偉長也請了來，進行彈道分析、燃燒室熱傳導、燃燒理論研究等工作。同時錢學森還當了航空噴氣公司（Ａｅｒｏｊｅｔ Ｃｏｍｐａｎｙ）的技術顧問，加州理工學院提升錢學