钱学森长期担任中国火箭和航天计划的技术领导人，对航天技术、系统科学和系统工程做出了巨大的和开拓性的贡献。钱学森共发表专著7部，论文300余篇。

一、应用力学:创立卡门-钱学森方法

钱学森在应用力学的空气动力学方面和固体力学方面都做过开拓性的工作。与冯·卡门合作进行的可压缩边界层的研究，揭示了这一领域的一些温度变化情况，创立了卡门--钱学森方法。与郭永怀合作最早在跨声速流动问题中引入上下临界马赫数的概念。

二、中国“航天之父”、参与两弹一星计划

钱学森是中国航天科技事业的先驱和杰出代表，被誉为“中国航天之父”和“火箭之王”。他也是中国近代力学和系统工程理论与应用研究的奠基人和倡导人。
在他的主持下，中国“喷气和火箭技术的建立”规划顺利完成，并参与了近程导弹、中近程导弹和中国第一颗人造地球卫星的研制。钱学森直接领导了用中近程导弹运载原子弹“两弹结合”试验，参与制定了近程导弹运载原子弹“两弹结合”试验，参与制定了中国第一个星际航空的发展规划。

三、开创性的研究成果:工程控制论和物理力学

钱学森的另一重大科学成就是在上世纪40年代在维纳提出控制论后，于1954年发表《工程控制论》，创建了这门技术科学。1955年8月钱学森在回国前夕，带领全家向老师冯·卡门告别时，献上他写的《工程控制论》和《物理力学讲义》。74岁高龄的冯·卡门在仔细阅读后深情地说:“我为你骄傲，你现在学术上已超过了我。”对于钱学森的离美，冯·卡门是万分惋惜的，他无限感慨地说:“美国把火箭技术领域中最伟大的天才、最出色的火箭专家奉送给了红色中国。”
钱学森在组织实施我国导弹航天工程中，成功运用了“工程控制论”的方法，并研究、制定、验证、完善了一整套中国现代工程系统开发的技术过程。这一现代工程技术“总体设计”的思想，在20世纪80年代被逐步推广到解放军各总部、军兵种建制的建设中，成立了相应的研究机构，并发挥着重要作用。

四、系统科学

钱学森对系统科学最重要的贡献，是他发展了系统学和开放的复杂巨系统的方法论。