在喷气推进与航天技术领域，钱学森作出了特别卓越的贡献、加州理工学院古根海姆航空实验室的火箭研究工作，是马林纳、钱学森和其他热心于火箭的人于30年代后期开始的。1936年他在冯·卡门指导下，与马林纳等一起研究火箭发动机的热力学问题、探空火箭问题和远程火箭问题等，并参与了美国早期用可储存液体推进剂的几种试验性火箭，如 1945年的‘女兵下士”探空火箭和后来的”下士”导弹的研制工作。1949年，钱学森担任加州理工学院新设的古根海姆喷气推进中心的主任，并讲授火箭技术及喷气推进技术课。从40年代到60年代初期；钱学森在火箭与航天领域提出了若干重要的概念：40年代提出并实现了火箭助推起飞装置，使飞机跑道得以缩短；1949年提出了火箭旅客飞机概念和关于核火箭的设想（1953年研究了行星际飞行的可能性；1962年出版的《星际航行概论》中，提出了用一架装有喷气发动机的大飞机作为第一级运载工具，用一架装有火箭发动机的飞机作为第二级运载工具的天地往返运输系统概念。

在40年代末、50年代初，钱学森对第二次世界大战后迅速发展的控制与制导工程技术实践进行全面观察时，以比旁人更敏锐的眼光发现并提炼出了指导控制与制导系统设计的普遍性概念、原理和方法，从而创建了一门技术科学“工程控制论”。

工程控制论在其形成的过程中，把设计稳定与制导系统这类工程技术实践作为主要研究对象。钱学森是这类研究工作的先驱。1951车钱学森研究了“一种探空火箭的最优推进的设计”，即探空火箭的最优弹道问题，要求提出一条理想弹道，在相同的燃料消耗条件下，使火箭达到的高度最大。实际上，钱学森给控制系统设计提供了一种理论与方法。1952年还研究过如何利用反馈控制的方法使火箭发动机中的燃烧过程稳定，成功地建立了描述燃烧室压力变化规律的方程。

第一版《工程控制论》原是用英文写的，1954年在美国出版。此后，俄文版、德文版、中文版相继出版。书中所阐明的基本理论和现紧一方面奠定了工程控制论的基础，另一方面挖出了进一步研究的方向，对自动化科学技术理论的发展起了重要作用。宋健和其他几位中青年控制论理论科学家根据钱学森的委托而完成的《工程控制论》（修订版）于1980年出版、工程控制论从深度与广度上推动了电子计算机技术革命、核能技术革命、航天技术革命和光子技术革命的发展。