1932年“一·二八”事变中，日军飞机对上海狂轰滥炸，这让钱学森悲愤不已，他毅然做出了人生的第二次选择：改学航空工程，学造飞机。他利用课余时间广泛阅读航空方面的书籍，还发表了多篇有关航空的文章。凭借着扎实的专业知识和不懈的努力，钱学森最终考取了清华大学庚款留美公费生，前往美国深造，专业是航空工程。
在麻省理工学院，钱学森的学习如鱼得水。但他不能容忍美国同学瞧不起中国人的态度，他曾对同学说：“中国现在是比你们美国落后，但作为个人，你们谁敢和我比试？”在一次期末考试时，一位教授出了一些难题，大部分同学都做不出来，认为老师故意刁难学生。然而，当他们来到教授办公室门前时，却看到门上贴着钱学森的试卷，卷面工工整整，试卷右上角有老师批阅的分数，一个大大的“A”后面还跟着三个“+”。那些本想闹事的学生看着这份试卷，顿时目瞪口呆，从此对钱学森刮目相看。
1936年，钱学森获得航空工程硕士学位后，在学习过程中他发现当时航空工程的工作依据基本上是经验，缺少理论指导。为了能掌握航空理论，并以此来更好地指导航空工程，钱学森果断地做出了人生的第三次选择：从做一名航空工程师，转为研究航空理论。他向加州理工学院提出入学申请，并成为世界着名力学家冯·卡门教授的博士生。
在跟随冯·卡门教授学习期间，钱学森与老师之间曾因为对一个科学问题的见解不同而发生争论。有一次，两人因对钱学森的一篇文章观点不一而争辩起来，冯·卡门一气之下把文章扔到地上，师生俩不欢而散。但第二天，冯·卡门在办公室见到钱学森时，竟给他鞠了一躬，并表示自己经过一夜思考，认为钱学森是对的。
1941年，钱学森在美国《航空科学学报》发表了科研成果《柱壳轴压屈曲》一文，成功攻克了困扰航空界多年的难题。这篇文章虽然只有短短10页，极为简明，但钱学森在研究过程中编有页码的推导演算手稿就达800多页，其中有些计算数字精确到了小数点后8位。论文完成后，钱学森把手稿存放到纸袋里，并在纸袋外面写下了“final”（定稿）字样。但他很快又想到，科学家对真理的探索是永无止境的。于是，他又写上了“nothing is final”（永无止境）。
在异国他乡，钱学森也收获了自己的爱情。他与妻子蒋英自幼相识，两家是世交。1947年回国探亲时，36岁的钱学森已成为麻省理工学院的正教授。当时，蒋英已成为签约歌手。钱学森追求蒋英时，没有甜言蜜语，也不懂送花，只是常常去蒋英家做客，对她说：“你跟我去美国吧！”没说几次，蒋英就被他的真诚所打动，答应了求婚。