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1949年10月新中国成立后，钱学森曾向美国移民局提出了入籍归化的申请，但钱学森夫人蒋英认为钱不可能提出加入美国籍。事实正如夫人所料，由于冷战开始，加上1950年美国麦卡锡主义盛行，反共思想高涨，美国联邦调查局凭钱学森早年参加过的共产党组织社交餐会出席人士名单而驳回其入籍申请，并禁止其参加机密工作。
钱学森无法继续他的研究。两星期后钱学森先告知学校其去中国探亲数月之意愿，学校并无异议且愿意配合。但是当时海军部次长丹·金波尔知道后，认为以钱学森涉及美军机密工作之深，在当时中美苏关系恶劣状况之下，应设法劝阻其访中为宜。美司法部藉“伪证”罪吊销他的机密工作许可并将他驱逐出境。美国司法部于1950年8月30日起钱学森临时拘留在特米诺岛监狱里15天。由于加州理工学院的不懈努力和抗争，钱学森很快被取保候审。为了确保自己人身自由得到合法保障，钱学森重金聘请纽约市知名辩护律师格兰特·古柏代表出庭，与美国移民局展开了长达5年的法庭斗争。
钱学森的上诉案件直到1954年才被判败诉。在上诉五年期间，钱学森只能涉及一些基础学科的研究与教学。联调局认为钱学森所知的机密信息五年后就会变得过时而没有用处。他在这段时间里完成了工程控制论的研究。钱学森后来幽默地说，“不让我做研究，我会在这里（用手指头）发展”。
1955年，在中美两国政府长达数月的日内瓦双边会谈之后，钱学森被美国政府释放，用以交换在朝鲜战争中被俘的美国4名飞行员。9月17日，钱学森登上了美国总统轮船公司的克利夫兰总统号，10月8日抵达香港后从九龙车站前往中国深圳，当晚抵达广州，10月12日至26日在上海停留，于10月28日抵达北京。
由于钱学森回国效力，中国导弹 、 原子弹的研发至少向前推进了20年。
从1955年10月回国，到2009年10月逝世，在这半个多世纪的时间里，资料显示，钱学森只出过三次国，前两次是去苏联访问，第三次是80年代率领中科协代表团访问了英国、德国两国。但是钱学森从未再次踏入美国的土地。
在他博士毕业40周年时，他的母校加州理工学院决定授予他“杰出校友奖”，通过他的好友马勃写信告诉他希望他能回来领奖，遭到钱学森的拒绝。在回信中他说：“我不会来美国领奖的，原因是，我是被驱逐出来的，至今仍然生活在美国的驱逐令下。如果我回到美国，我会遇到新的麻烦。”
虽然他有多次机会到美国访问都被拒绝。有一次，中央召开科学技术会议，坐在他旁边的领导同志劝他：“钱老，你在国际上影响很大，一些国家邀请你，我建议你还是接受邀请，出去走走。你出去和别人不一样，对推动中外科技交流会有很大影响。这也是今天改革开放的需要啊！今天，世界在变，中国在变，美国也在变。几十年前的事，过去了就算了，不必老记在心上。你去美国走走，对推动中美间的科学技术交流，甚至推动中美关系的发展都会有积极意义。”不料，钱学森说：“领导，当年我回国的事很复杂，在目前这种情况下我不宜出访美国。”由此可见，钱学森的态度是多么的坚决。
钱学森回国是国际形势演变的结果，也是中美两国博弈的产物，但美国政府在钱学森回国前对他的怀疑和迫害使得他深受打击，他之后再也没有踏上美国土地。
还有一种说法，是因为钱学森掌握了国家武器装备的核心机密，如果再去美国，可能会造成人身的安全。