从1955年11月起，钱学森同志为筹建中国科学院力学研究所，深入东北地区有关厂矿、大学和研究所考察调研，召集国内科研院所的领导和专家座谈讨论，统一建所思想，明确建所方针，在不到3个月的时间，领导组建了力学研究所。1956年1月，钱学森同志担任中国科学院力学研究所所长。同年2月，在周恩来总理鼓励和支持下，他起草了《建立我国国防航空工业的意见书》，为我国火箭和导弹技术的创建与发展提供了极为重要的实施方案。3月，党中央、国务院决定制定新中国第一个科学技术发展远景规划纲要(1956-1967)，钱学森同志担任综合组组长，主持起草建立喷气和火箭技术项目的报告书，为推动新中国的科学技术、工业、农业、国防发展起到了重要作用。同时，钱学森同志参与筹备组建我国导弹航空科学研究领导机构航空工业委员会，受命负责组建我国第一个火箭、导弹研究机构——国防部第五研究院。10月，钱学森同志任国防部五局第一副局长、总工程师兼国防部第五研究院院长，后又兼任国防部第五研究院一分院院长，担负起新中国导弹航天事业技术领导工作的重任。研究院成立之初，在组建液体导弹研制队伍的同时，钱学森同志预见性地组织科技人员探索固体复合推进剂，为后来研制固体火箭发动机和固体地地战略导弹打下了良好基础。同时，他还设立空气动力研究室，组建了我国第一个空气动力学专业研究机构。

　　1957年9月，钱学森同志作为科学技术顾问随聂荣臻同志赴前苏联访问，为中苏新技术协定的顺利签订做了大量卓有成效的工作。访苏归来后，钱学森同志遵照党中央提出的国防工业发展方针，突出抓了技术消化、科研协作和制度建设等工作，参加了导弹卫星发射试验基地勘察选址，负责运载火箭、人造卫星以及卫星探测仪器的设计、协调及研究机构建立等工作。中苏关系破裂后，面对前苏联撕毁协定、撤走专家的困难局面，他团结带领科技人员艰苦奋斗，联合攻关，依靠我国自身力量，实现了导弹武器研制试验一系列重大突破。1960年2月，钱学森同志指导设计的我国第一枚液体探空火箭发射成功。同年11月，协助聂荣臻同志成功组织了我国第一枚近程地地导弹发射试验。1964年6月，钱学森同志作为发射场最高技术负责人，同现场总指挥张爱萍同志一起组织指挥了我国第一枚改进后的中近程地地导弹飞行试验。

　　1965年1月，钱学森同志任第七机械工业部副部长、党组成员，主持制定了《火箭技术八年(1965-1972)发展规划》，组织领导地地导弹、地空导弹、岸舰导弹和固体火箭发动机、固体燃料导弹、运载火箭以及卫星研制试验等任务。1966年10月，他作为技术总负责人，协助聂荣臻同志组织实施了我国首次导弹与原子弹“两弹结合”试验，把国防现代化建设向前推进了一大步。1968年2月，钱学森同志兼任新成立的中国空间技术研究院院长，在周恩来总理等中央领导同志的支持下，他努力排除“文化大革命”的干扰，狠抓研究院机构组建、工作规划、基础设施建设和卫星研制质量，指导地面发射和跟踪测量系统建设。1970年4月，他牵头组织实施了我国第一颗人造地球卫星发射任务，成为新中国科技发展史上的一座重要里程碑。同年5月1日，钱学森同志与参加第一颗人造地球卫星工程研制的代表一起，在天安门城楼受到毛泽东、周恩来等党和国家领导人的亲切接见。