究工作的指導下，獨立進行設計和製造國防上需要的、達到當時先進效能指標的導彈”；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《關於建立我國導彈研究工作的初步意見》，並且建議：在航空工業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，恰好是錢學森迴歸祖國一週年的日子，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名大學畢業生進行導彈專業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年之後，錢學森為能在自己的國家培養我國第一批火箭、導彈技術人才，感到無比激動。這批受訓的大學生，後來成為我國火箭、導彈與航天技術隊伍的骨幹。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製造工作。１９６０年１１月５日，在聶榮臻元帥現場親自指導下，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，在我國酒泉發射場成功地組織了我國製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，飛起了我國自己製造的第一枚導彈，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、周到細緻、穩妥可靠、萬無一失”的指示，錢學森協助聶榮臻元帥，在酒泉發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核爆炸。這次史無前例的試驗標誌著中國開始有了用於自衛的導彈核武器，也標誌著《１９５６至１９６７年科學技術發展遠景規劃綱要》規定的“１９６３—１９６７年在本國研究工作的指導下，獨立進行設計和製造國防上需要的、達到當時先進效能指標的導彈”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、鼓勵併成為科學名流的人，負責了這項試驗，這是對冷戰歷史的嘲弄。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，並試圖改變他的思想，違揹他的意願滯留他，最後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、趙九章和衛一清為副組長的領導小組，負責籌建人造衛星、運載火箭以及衛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１２次的星際航行座談會，錢學森在第一次座談會上發表了題為《今天蘇聯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展規劃，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，建議早日製訂我國人造衛星的研究計劃並列入國家任務。錢學森指出：“自從蘇聯在１９５７年１０月４日發射第一顆人造地球衛星以來，中國科學院及原第五研究院對這項新技術就有些考慮，但未作為研製任務。現在看來，人造衛星有以下幾種已經明確的用途：測地衛星、通訊及廣播衛星、預警衛星、氣象衛星、導航衛星、偵察衛星。重量更大的載人衛星在國際上的應用，現在雖然還不十分明確，也得有所準備。現在我國彈道式導彈已有一定的基礎，現有型號進一步發展，即能發射１００公斤左右重量的儀器衛星。這些工作是複雜艱鉅的，必須及早開展有關的研究、研製工作，才能到時拿出東西。因此建議國家早日製訂我國人造衛星的研究計劃，列入國家任務，促進這項重大的國防科學技術的發展。”聶榮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