返校后不久，1931年9月18日，日本侵占我国东北三省，“九一八”事变爆发；不久后的1932年1月28日，日本人挑衅滋事，其海军陆战队2300余人在坦克的掩护下进攻上海，遇中国驻军坚决抵抗，“一·二八”事变爆发；1月29日，日机从停泊在黄浦江上的“能登吕”号航空母舰上起飞轰炸上海，商务印书馆及东方图书馆等被炸毁；1月31日，日本巡洋舰4艘、驱逐舰4艘、航空母舰2艘及海军陆战队7000余人抵达上海，日本军舰从长江上炮轰南京，同济大学、复旦大学、上海法学院等均遭轰炸……
在这次战斗中，中日装备悬殊巨大，中国损失惨重。1932年，日本陆军和海军拥有2000架飞机，而中国只有270多架。作家关川永一郎在《日本军事航空画报》一书中说：“当时，中国的空中力量微不足道，可以忽略。”
1934年6月，钱学森以全班第一名的成绩从上海交通大学毕业。这时，他的志向已经从铁路转向航空。
从麻省到加州
1934年8月，钱学森参加清华大学“庚子赔款”留美奖学金考试；他是20位获得者之一，也是其中唯一一位航空专业的学生。
根据清华关于留美学生的规定，所有获奖学生都必须用一年的时间周游中国，了解所学领域在中国的实际需求。钱学森在清华有两位导师，一位是王助，他是我国早年的航空工程师、美国麻省理工学院(MIT)毕业生，曾作为美国波音公司聘请的第一任总工程师设计第一架波音飞机，也设计制造了中国的第一架飞机；第二位是空气动力学教授王士倬，他也毕业于麻省理工学院。
在王士倬的指导下，钱学森到南京航空工厂、南昌航空学院、杭州笕桥飞机厂实地考察，决定未来留美学习的方向。王士倬建议他进入麻省理工学院航空系，主修空气动力学。1935年9月，钱学森在上海搭乘杰克逊总统号轮船，赴美留学。
到了麻省理工学院，钱学森才发现，母校上海交大基本是按当时麻省理工学院的模式办的，连教学和实验大纲都一样，他学习起来游刃有余，但生活中也有不习惯的地方。他晚年时回忆说：“我年轻时也争强好胜，在麻省理工学院读书时，一个美国学生当着我的面耻笑中国人抽鸦片、裹脚、不讲卫生、愚昧无知等，我听了很生气，立即向他挑战说，我们中国作为一个国家，是比你们美国落后；但作为个人，你们谁敢和我比，到学期末，看谁的成绩好？”
一次，有位教授出了一套很难的考题，全班大部分同学都做不出来，成绩不及格，这在学生中引起不满，决定找教授评理。当学生们来到教授办公室门口时，却发现钱学森的试卷被贴在门上，卷面书写清洁工整，每道题都完成了，他们因此不敢再去找这位教授了。
因为学工程一定要到工厂实习，而美国航空工厂不欢迎中国人，钱学森决定转向航空理论。在获得麻省理工学院航空硕士学位后，他决定追随当时在加州理工学院的力学大师冯·卡门。
冯·卡门是20世纪航空时代的开创人，他的导师是现代空气动力学之父路德维希·普朗特尔。德国火箭科学家冯·布劳恩曾经说过：“冯·卡门是航空和航天领域最杰出的一位元老；远见卓识、敏于创造、精于组织——使科学家之间打破门户之见、消除民族歧视和语言隔阂、共同协作的非凡能力，正是他独具的特色。”
1936年的一天，钱学森来到加州理工学院，拜会冯·卡门。
冯·卡门还记得两人初次会面的情形：“我抬起头，打量这个身材不高、神情严肃的青年人，然后向他提了几个问题，所有问题他回答得都异常正确。顷刻之间，我就为他的才思敏捷所打动，接着我建议他到加州理工学院来继续攻读，他同意了我的意见。”
“火箭敢死队”
1936年9月，钱学森在加州理工学院安顿下来，开始和冯·卡门一起研究数学问题。
钱学森在上海交大打下了良好的数学、物理功底，后又在加州理工学院学习了许多数学、物理课程。即使是导师冯·卡门也对他的数学、物理能力赞叹不已，他说：“我发觉他的想象力非常丰富，既富有数学才华，又具备将自然现象化为物理模型的高超能力，并且能把两者有效地结合起来。他还是年轻学生时，已经在不少艰深的命题上协助廓清了一些概念。我感到这种天资是少见的，因此，我俩便成为亲密的同事。”
在上研究生课的同时，钱学森也在自修航空学。在加州理工学院的第一年里，他从各个国家收集到几乎所有的航空学资料，进行系统的研究，有时平均每天会花10个小时。
几乎在钱学森与冯·卡门初次会面的同时，另外3个年轻人也走进了冯·卡门的办公室，向他提出一个非同寻常的要求：支持他们搞一支探空火箭。
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