从德国回来之后，钱学森重拾在加州理工学院的研究和教学工作。在多年不知疲倦的辛勤工作后，钱学森开始看到回报。1945年11月，钱学森被由助理教授提升为航空系副教授。与此同时，在1945到1946学年度，钱学森在“二战”期间的技术贡献转化成了3本主要出版物：专著《喷气推进》（Jet Propulsion），《开创新领域》（Toward New Horizons）系列报告，以及关于“超空气动力学”的论文。这些著作为美国的军方和学术界带来了深远影响。它们还确立了钱学森在航空学界可能仅次于冯·卡门的领军地位。
厚达800页的《喷气推进》一书由喷气推进实验室和古根海姆实验室的成员们为美国空军技术总署所撰写，钱学森担任这本书的编辑。在这本书中，还包含有钱学森和其他加州理工学院教授在1943到1944学年度每周分发给来自军方的学生的讲义影印件。两年后的1946年，这一章已经成为军事工程师的基础必读材料。根据钱学森的同事艾伦·帕克特的讲述，在许多年中，这本书都是“美国关于喷气推进的最权威著作”。
《开创新领域》的系列报告将冯·卡门所有设想的关键点均加以详述。其中讨论了空气动力学、飞行器设计、飞行器动力装置、飞行器燃料、火箭推进剂、制导火箭、无人驾驶飞行器、炸弹、终端弹道、雷达通信、飞行医学和心理学等话题。在钱学森的学生、后来出任空军副部长的约瑟夫·查里克的记忆中，“这是一个百宝囊，里面囊括了国防部在未来几年中将会考虑到的所有研发问题”。
钱学森也在《开创新领域》中给出了自己的看法和主张。钱学森至少执笔完成了这份报告中的6章，分别是高速空气动力学、脉动式喷射引擎、冲压引擎、固态和液态推进火箭以及超音速导弹。他还详述了战争期间在加州理工学院和喷气推进实验室所进行的理论分析结果。
这些报告中最耐人寻味的一章是“使用核燃料作为飞行器推进动力的可行性”（Possibility of Atomic Fuels for Aircraft Propulsion of Powers Plants）。它恰好完成于美国向日本投射原子弹之后不久。钱学森计算出，核反应释放的能量大约是传统燃料的100万倍，并估算了使用核燃料作为热推进动力装置和火箭的可行性。钱学森总结道，这样一个系统的优越性完全值得军方未来加以考察。
冯·卡门对钱学森的工作相当满意，因此出面担保，他会为他的爱徒在新成立的美国空军总司令部科学顾问委员会中争取位置。“年方36，钱学森已经是一个无可争议的天才，他的工作为高速空气动力学和喷气推进领域的进展提供了极大的推动力。出于这些原因，我提名他在科学顾问委员会中任职。”冯·卡门在回忆录中这样写道。
美国军方对钱学森的成就也同样印象深刻。1945年12月，美国陆军航空部长亨利·阿诺德将军为钱学森颁发了一张官方嘉奖状，表彰他在冲压式喷气机和火箭性能等领域“卓越而完备”的研究工作，以及在动力和核能领域“无价”的贡献。
1946年5月20日，钱学森向《航空科学杂志》提交了一篇题为《超空气动力学及稀薄气体力学》（Superaerodynamics， Mechanics of Rarefied Gases）的论文。这篇发表于当年12月的论文或许是钱学森在美国时发表的最著名的论文。钱学森所做的，便是设计出了一整套全新的空气动力学公式，将空气的分子结构和气体粒子之间的平均距离等因素均考虑在内。这样，他就革命性地改变了空气动力学家思考高空高速飞行的方式。
这篇论文获得极大关注并被频繁引用。它奠定了钱学森作为美国最伟大的理论空气动力学家的地位。然而，即使在这篇论文发表前，1946年，钱学森的母校麻省理工学院已经决定向他发出召唤。麻省理工学院的航空系给了钱学森一个副教授的职位，并许诺随后转为终身教职。看起来，钱学森刚刚接到邀请时很犹豫了一阵。但最终，钱学森还是接受了邀请。
决定回到麻省理工学院是一个明智的选择。在美国的学术体系中，学院通常鼓励甚至要求学者在另一所学院获得某些经验后再取得全职教授的职位。“这是一个重要的转变，”加州理工学院的航空学教授霍默·乔·斯图尔特指出，“如果想要在自己的领域中有所成就，获取终身教职是极为重要的一步。”
还有其他重要原因促使钱学森接受来自麻省理工学院的聘书。他的朋友林家翘认为，钱学森重返麻省理工学院，是为了让自己真正成为一名火箭科学家。“钱学森很有远见，他明白，要想在火箭领域有所建树，他必须掌握一些加州理工学院之外的东西。当时，加州理工学院与麻省理工学院是一种竞争关系。加州理工学院长于结构和空气动力学，但在麻省理工学院，钱学森却能学到更多的关于仪表设备和控制系统方面的知识。”林家翘指出。
1946年夏天，钱学森忙着打点行装，准备奔赴新的岗位。1946年6月17日，他与冯·卡门以及另外20多名科学顾问出席了五角大楼的第一场科学顾问委员会会议。到了8月间，他正式辞去在加州理工学院的职位，整装东去，重返那所10年前欢迎过他但又拒绝了他的大学。
