从1936年10月起，钱学森在冯·卡门指导和领导下进行了长达10年的学习与工作。
冯·卡门十分赏识钱学森的才华，在他身上倾注了很大的心力。钱学森则以他非凡的勤奋与智慧，以出类拔萃的理论与实验成果，成长为冯·卡门的得意学生和不可缺少的助手。
钱学森拿出了上交大时练就的苦读工夫，开始废寝忘食地读书，他立志读完全世界现存的所有力学著作。整整三个寒暑，心无旁骛，埋头研读，每天坚持12小时以上，将买来或借来的全部力学书籍读了个遍，还对相关的学科理论进行了醉心的研究。这种“笨办法”为钱学森奠定了深厚的理论功底，钱学森戏称为“三年出货”法。他认为：基础打得不牢，总是要吃亏的，一定要积下足够的老本，才能举一反三触类旁通。此后，仅用一年时间，钱学森在航空结构理论研究中便取得了突破性进展。在冯·卡门教授的指导下，1939年6月，他完成了《高速气动力学问题的研究》等4篇博士论文，取得了航空和数学博士学位。
由冯·卡门的推荐，钱学森被聘为加州理工学院航空系助理研究员，成了冯·卡门的直接助手。在1940年美国航空学会年会上，钱学森宣读了一篇薄壳体稳定性研究论文，引起了与会者的极大兴趣，为钱学森赢得了很高的声誉，在航空工程技术理论领域，进入了国际知名学者的行列。
钱学森的才干在实验研究中发挥得更为出色。从1936年起，钱学森便成了冯·卡门领导的古根海姆航空实验室的研究生。他对火箭技术兴趣很浓，便与同窗好友马林纳发起成立了火箭研究小组，进行火箭发动机试验，由于点火不良，试验连连失败，爆炸时有发生，他们不顾有毒气体有损健康，坚持进行一系列的再试验，尔后对试验结果进行分析。还完成了火箭发动机喷管扩散角对推力影响的计算。
次年，他们在阿洛约赛克建立了第一座火箭试验台，引起了有关当局的注意，并得到空军的支持。军方委托加州理工学院举办喷气技术训练班，钱学森被聘为教员。
1943年，由于反法西斯战争需要，美国军方决定研制实战导弹，慎重委托钱学森负责和推动导弹火箭发动机这一重大课题的研究。当年11月，钱学森便与马林纳一起提出了三种火箭（导弹）的设计方案，受到军事当局的高度重视。这份报告为美国四、五十年代成功研制地对地导弹和探空火箭奠定了基础。
1942年2月，美国当局决定委托冯·卡门研究远程火箭。冯·卡门向陆军军械署推荐钱学森负责理论组。钱学森从弹道分析，燃烧室热传导与燃烧理论入手，研究远程火箭的有关理论问题，钱学森还向冯·卡门建议运用新的军事思想和方法从事火箭技术研究，为美国火箭事业的建立与发展做出了不可磨灭的重大贡献。
1945年5月8日，第二次世界大战胜利结束。新组建的美国空军科学咨询团在少将团长冯·卡门的率领下来到德国接管，考察及研究德国的火箭技术，被任命为上校团员的钱学森参加了这次考察。回美国以后，钱学森向空军领导人作了精彩的考察报告，得到了空军司令亨利·阿诺德上将的通令嘉奖。
不久，钱学森在冯·卡门领导下，参与了为美国空军提供火箭远景发展规划的制定工作。美国军方对钱学森的评价是：为法西斯战争的胜利作出了“巨大的无法估价的贡献”。钱学森被舆论称为“帮助美国成为世界第一流军事强国的科学家银河中一颗明亮的星”，是“制定美国空军从螺旋桨式向喷气式飞机过渡并最后向遨游太空无人航天器过渡的长期规划的关键人物。”
钱学森被加州理工学院提升为副教授，并兼任航空喷气公司的技术顾问，美国海军火炮研究所顾问。
1947年2月，经冯·卡门的推荐，钱学森成了麻省理工学院的终身教授，时年36岁。
【相关链接】①钱学森，世界著名科学家，空气动力学家，被誉为“中国航天之父”“中国导弹之父”“中国自动化控制之父”和“火箭之王”。由于钱学森回国效力，中国导弹、原子弹的发射向前推进了至少20年。②1935年，钱学森从交大机械工程系铁道机械工程专业毕业一年后，决定到欧美国家去深造。整整20年，钱学森经历了成功与失败，欢乐与灾难……1955年8月，钱学森接到了美国移民局准予他离开的通知，10月8日上午，钱学森终于踏上了罗湖桥头，回到了祖国的怀抱。
