到美国后，钱学森进入麻省理工学院航空工程系。他的学习成绩，仍保持自小一贯的名列前茅。有个故事说，他参加的一门课中，有次老师出的题目极为困难，班上大多数同学都没能及格。一些学生经过讨论，决定找老师表示抗议。罗伯斯回忆道：“大家到了教授办公室，只见钱学森的考卷贴在门口，是用钢笔写的，全部做完了，而且全对，连一个涂改的痕迹都没有！”于是，没人再敢提什么抗议。
但钱学森在麻省理工待的时间并不长，据说也并不愉快。麻省理工重在培养工程师，强调动手能力，而钱学森所长的是理论和运算，动手做实验令他望而生畏，深感挫败。
钱学森决定转学。在航空工程领域，与麻省理工学院齐名的是加州理工学院。加州理工更强调纸和笔，重视理论训练。这正对钱学森的口味。钱学森从美国东海岸的麻省理工跑到西海岸的加州理工，找大名鼎鼎的航空系主任冯・卡门面谈。冯・卡门后来在回忆录《风云际会》中写道：
一九三六年有一天，钱学森来看我……（他）对我的问题作答极为精准，非常少见。他思路的深邃敏捷深得我心，所以我建议他到加州理工注册攻读博士班。
第一个学期，钱学森几乎不跟同学往来，把全部时间用于学习。课堂上，他常在关键处提出艰深的问题，令老师非常满意而同学非常困惑。他智力超群，引人注目，以致给他上课的物理系教授艾普斯坦有一次问冯・卡门：“我想听听你的意见，他是不是有犹太血统？”（在西方，犹太人被认为特别聪明。冯・卡门正是一个犹太人。）
冯・卡门用德国方法训练航空系学生，强调严谨应用数学与物理基本法则处理工程难题，令钱学森感觉到如鱼得水。钱学森深受冯・卡门赏识，很快成了冯・卡门研究工作的左右手。冯・卡门在自传中写道：
他想象力极为丰富，不但数学能力强，而且善于观察自然现象的物理性质，在若干相当困难的题目上，都能帮我厘清观念。……我们顺理成章成为亲密工作伙伴。
冯・卡门常灵光一现，构思出理论的大架构，钱学森就不厌其烦地通过演算予以验证。1939年在加州理工工作的李普曼教授回忆道：“钱学森提高了冯・卡门的创造力，他杰出的数学技巧在最短时间内把冯・卡门的观念付诸实现。”
他们合作的一个成果是冯・卡门与钱氏公式。1939年，钱学森在《航空科学期刊》上发表论文《可压缩流体二度空间的次音速流动现象》，提出了冯・卡门与钱氏公式。这个公式对于高速飞机的设计非常有用，航空工程师史密斯后来说：“现代电脑问世前，每个人都应用冯・卡门与钱氏公式。”
在加州理工，钱学森还参加了由加州理工的学生和当地火箭迷组成的社团――火箭社。他帮助社里好友马里纳完成的论文在巴黎科学大赛上赢得REP-Hirsch金奖。马里纳写信告诉父母说：
钱学森帮我完成很多观念，他实在应该挂名。他毅力超群。过去十来天，他不分昼夜钻研一个棘手的问题，但最后以数学解出的结果仍然不尽如人意。他离开研究室，不久又跑回来说，他要鼓起勇气，重头来过。这种人一定会成大器。
钱学森和马里纳还有一个共同的爱好――古典音乐。有时候，钱学森会到马里纳的住处，听一整晚的音乐，一言不发。
1943年，钱学森被加州理工聘为航空系助教。除了研究工作，他还受命为军方选派的作为美国军事工业的研发领袖来培养的学生讲课。钱学森喜欢数学好的学生，对这批聪明才智不及加州理工一般水平的学生则很厌烦。上过他课的罗伯斯回忆说：
钱学森在课上的评语往往简短而冷酷无情。有次一个学生举手说：“第二面黑板上第三个方程式我看不懂。”钱学森没有回答。另一个学生问：“怎么样，你要回答他的问题吗？”钱学森说：“他只是叙述一个事实，不是提问题。”
1944年底到1945年，钱学森受邀前往五角大楼，成为军方科学顾问团的成员。德国投降前夕，他又和自己的老师冯・卡门一起被派往德国，收集德国火箭研发等方面的第一手资料。
1946年8月，钱学森辞去加州理工的职务，重返麻省理工。第二年2月，经冯・卡门推荐，钱学森成为麻省理工最年轻的正教授。冯・卡门称赞他说：“他才36岁，已是人人称道的天才，他的作品带给高速气体动力学与喷射推进研究强大的发展原动力。”
学生们对有机会上举国闻名的钱教授的课都充满期待和兴奋，但兴奋之情很快被畏惧感取代。他讲课内容的高难度，到了“令人恐惧”的程度，这成了一些学生刻骨铭心的记忆。他的学生季茨20年后在《星期六评论》杂志撰文回忆了钱学森讲课的情形：
他几乎总在上课铃响两分钟后，准时悄无声息地走进教室，从教室前方的黑板左端开始，咕哝一句：“我们从……开始。”就用清晰坚定的笔迹，写下一个方程式。然后，瞄一眼自己的笔记，在下方添一行，再一行，再一行，直到黑板的底端。……这样大约过了二十分钟，他会退后几步，端详一下黑板，说：“这中间有非常重要的关系。”可是他从来不解释。
学生们更难忘记的恐怕是上钱学森的课得到的考分。马斯提勒回忆说，一次期末考试，全班只有一人及格，得73分；第二高分是“众所公认的天才”艾胥利，得58分，他后来当上了麻省理工和斯坦福大学的教授；而全班平均分只有14分。
很多学生对钱学森的授课方式颇有微词，认为他讲课知识密集度过大，又过于严苛，让人害怕莫名，效果并不好。但也有少数人对他的授课给予正面评价，认为他的课“很有深度”。塞尼克回忆道：“他的课程在我就业的前十年发挥了无比的价值。”
钱学森的勤奋逾于常人。他受邀为一本《气体动力学入门》的教科书撰写一些章节。“他每周都挤时间做这份工作，每周完成一章……那本书原计划1950年出版，结果拖到1958年才完成，这在作者众多的情形下也很常见。只有钱学森这种人才会坚持准时交稿。”该书的编辑伊蒙斯回忆说。
钱学森希望学生也能像他一样勤奋。有一次，他让自己的学生麦克做一些计算，麦克算了好一阵子，但到了午餐时间，就吃饭去了。回来后，钱学森大发雷霆：“你这是什么样的科学家，算到一半竟敢跑去吃中饭！”
1940年代后期，钱学森不断发表重要的论文，学术上仍处于上升期。但一件事彻底改变了钱学森的一生。1950年夏的一天，联邦调查局造访了钱学森。此后的故事，是大家耳熟能详的。
1955年9月17日，钱学森在洛杉矶搭乘克里夫兰总统号邮轮，航向中国。从此，他再未踏上美国的土地。
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