錢學森的上訴案件直到1954年才被判敗訴。在上訴五年期間，錢學森只能涉及一些基礎學科的研究與教學。聯調局認為錢學森所知的機密信息五年後就會變得過時而沒有用處。他在這段時間裏完成了工程控制論的研究。錢學森後來幽默地說，“不讓我做研究，我會在這裏(用手指頭)發展”。在中美關係正常化後，錢獲頒傑出校友獎，受到加州理工學院邀請。該獎項後於2001年由加州理工學院好友法蘭克?馬波(FRANK E. MARBLE)教授及夫人送達錢學森家中(馬波教授於1955年錢學森離美時親自去洛杉磯港口送行，而錢也在離開美國的時候發誓再也不來美國)、《航空週刊》在提名錢學森為2007年度風雲人物時的專文，對這段歷史的記述也大致吻合。
早在1945年5月14日，在香港從事秘密聯絡工作的曹日昌(中共黨員、香港大學教授)給錢學森寫了一封信，通過葛庭燧(留美中國科學工作者協會美中區負責人)寄給錢學森。曹日昌在信中以“北方工業主管人”的名義邀錢學森回國到東北或華北領導“航空工業”的建立。
1955年，在中美兩國政府長達數月的日內瓦雙邊會談之後，錢學森被美國政府釋放，用以交換在朝鮮戰爭中被俘的11名美國飛行員。9月17日，錢學森登上了美國總統輪船公司的克利夫蘭總統號，當時加州理工學院院長杜布裡奇雖然沒有到碼頭去送行，但是他卻說了一句意味深長的話：“錢學森回國絕不是去種蘋果樹的。”錢氏10月8日抵達香港後從九龍車站前往中國深圳，於10月28日抵達北京。
從1955年10月到12月，他先後在北京、東北參觀各種科學研究所、高等院校、生產工廠，摸清了中國建立航空工業的基礎。1955年11月25日，錢學森獲得批准訪問哈爾濱軍事工程學院，哈軍工第一任院長陳賡大將從北京乘坐飛機前往哈爾濱親自陪同錢學森參觀哈軍工。考察參觀期間，陳賡與錢學森關於中國能不能研製導彈，展開了一段對話。
陳賡問：錢先生，你看我們中國人能不對搞導彈？
錢學森不假思索地答道：有什麼不能的？外國人能造出來的，我們中國人同樣能造出來。難道中國人比外國人矮一截不成？
陳賡豪氣頓生：錢先生，我要的就是您的這句話！
1956年元旦，錢學森給解放軍高級將領講課，據當事人總參作戰部空軍處參謀、後來的二炮司令員李旭閣回憶，賀龍、陳毅、葉劍英、聶榮臻元帥也特意趕去聽課，錢學森授課規格之高以及所受重視程度，由此可知。據記載，錢學森在講課時，在黑板上寫下“火箭軍”三個字。他說，這“火箭軍”，也就是導彈部隊，是一支不同於現有的陸、海、空三軍的新型部隊，是一支能夠遠距離、高準確度命中目標的部隊，是現代化戰爭中極其重要的後起之秀。興之所至，錢學森大聲疾呼：“中國人完全有能力，自力更生製造出自己的火箭。我建議中央軍委，成立一個新的軍種，名字可以叫‘火軍’，就是裝備火箭的部隊。”(中)