1956年3月14日，中央軍委會議決定，由周恩來、聶榮臻和錢學森等籌建導彈航空科學研究的領導機構——航空工業委員會。聶榮臻為主任，錢學森為委員。
1956年10月8日，正好是錢學森回歸祖國一周年的日子，國防部第五研究院——中國第一個火箭導彈研究院正式成立。此前的1956年7月，導彈管理局已經成立。到導彈研究院成立，導彈的研究、管理、生產（由航空委負責）已形成一個完整的系統。
這里面還有一個小插曲。
通常情況下，職位是先副後正，可錢學森卻是先正後副。
這是為什麼？錢學森在擔任五院院長不久，感覺到既要帶領大家進行技術攻關，又要操心柴米油鹽，使自己整天陷入事務性工作，沒有時間和精力搞科研。為此，他給聶帥寫信，請求"退"正為副。聶帥考慮實際情況，報請上級批准了他的請求。
當時，中國政府組成了聶榮臻副總理、三機部部長宋任窮、副總參謀長陳賡率領的包括專家顧問，共31人的代表團准備赴蘇聯談判。
在中國政府發出相關函件後，蘇聯政府卻遲遲不予答複。即使複函，也要附加一些條件，說蘇聯的火箭、導彈和其他尖端技術設備需高度保密，中國代表團的成員中，必須是高級別的政府官員和高級軍銜的軍官才能參觀。
可當時的錢學森，並沒有軍銜。一位通曉國防尖端科技的專家，不能親眼考察人家的先進設備，行程還有什麼意義？
周總理知悉此事後，立即建議中央授予錢學森中將軍銜。據說，周總理還幽默地說過，早在1945年美國政府就曾授予錢學森上校軍銜了。現在已經過了12年，我們為什麼不能讓他當將軍呢？于是，1957年９月，火箭專家錢學森的肩頭掛上了中將軍銜。
1958年5月17日，毛主席在中國共產黨八屆二次會議上宣布："我們也要搞人造衛星！"此後，錢學森又開始思考我國衛星事業的發展問題。
1958年，中國科學院成立以錢學森為組長，趙九章和衛一清為副組長的領導小組，負責籌建人造衛星、運載火箭以及衛星探測儀器的設計和空間物理研究機構。
1960年11月5日，在戈壁荒漠中，"東風1號""仿制彈"發射成功。
可在1962年3月21日，"東風2"號中程導彈試射失敗。
當時，錢學森正坐鎮北京指揮總部。作為技術總負責人的他，當即奉聶帥指令飛往基地調查事故原因。
錢學森決定重新修改設計方案，通過地面試驗，逐個系統，逐道工序地檢驗。
錢學森發現失敗原因是多方面的，但最主要是沒有處理好整體與局部的關系。他提出，要用系統學的方法統籌處理。
後來接任火箭總設計師的王永志回憶說："他當時給我們舉個例子，給我印象很深，說有一個朋友問他，夏天房間里太熱，把冰箱門打開，房間里是不是能涼爽一些？他回答說，這是不可能的。打開冰箱的門，冰箱門附近可能會有點涼意，但整個房間並不會涼爽下來。因為這樣做的結果，增加了電能消耗，電能轉變為熱能，電能消耗增加就意味著熱能的增加，最終的結果是房間的溫度升高。于是，他就跟我們說，搞總體設計，理解和研究問題就要從全局出發，從系統上來考慮這個事情，然後再作出決策。"
1964年6月29日，改進後的"東風2號"中程導彈正式發射成功。7月9日、11日，兩次連續發射均取得成功，說明該型火箭已具備了穩定的技術基礎。