錢學森絕對沒有料到，他在麻省理工學院的時光竟會如此短暫而不愉快。部分原因在於，1935年的麻省理工學院儘管已經是一所全美頂級的飛行技術學院，但它對航空工程卻未能給予足夠的重視。另外的原因則要歸於錢學森的個性：他與麻省理工學院就是格格不入。
在麻省理工學院，航空學一直沒有被當成一門正經的學科，而被視為與學生們在冰封的查爾斯河上舉行的滑冰大賽類似的競技項目。直到1913年，前飛機設計師梅裡爾（Albert A. Merrill）組織運作了一系列非正式的航空學講座之後，才開始萌生創建一個正式研究項目的設想。或許是因為這些講座大受歡迎，麻省理工學院撥出了3500美元，用於建造一座實驗室和一個4英尺長的風洞，並在接下來的一年中開設了航空工程學的研究生課程——這是全美國第一個與此相關的課程。來自中國的一名周姓學生是第一個拿到這門課程碩士學位的畢業生，在他之後，又有數名中國學生前來攻讀這一學位。畢業後，他們中的大多數人都在中國政府和學術機構中謀得要職。
「一戰」期間，這個項目迅速擴張。面臨嚴重的飛機短缺，軍隊徵用了麻省理工學院的風洞設備測試新型飛機。陸軍和海軍飛行員來到學校，接受高級訓練。然而，隨著戰爭結束，來自政府的支持迅速消失，美國政府取消了數以百計的飛機製造合同，這對剛剛起步的該項目來說無疑是一個沉重的打擊。
幸運的是，1925年，古根海姆（Guggenheim）家族宣佈，有意資助7名航空工程專業的學生完成為期4年的本科學習。麻省理工學院被選中作為培訓基地之一，得到了50萬美元的啟動基金。用這筆錢，麻省理工學院蓋起了古根海姆大樓，並為之配備了一個全新的圖書館和一個7.5英尺的風洞。1926年之後，整個航空工程系形成了嚴謹的學術氛圍。在三位非常活躍的教授和兩名導師的帶領下，學生們不僅在飛行動力的理論方面深有建樹，也精通實際飛機設計的逐個環節。他們在這裡學會用乙炔槍焊接零部件，用錘子、鉗子和鐵砧彎曲金屬。不止一名學生用木頭和鐵絲造出了可以實際飛行的雙翼飛機。
錢學森在清華大學的導師王士倬，便是這個項目1928屆的畢業生。「在中國，我們的老師都勸我們說，你們一定要去麻省理工學院，它被認為是美國工程學院的代表。」一位庚款留學生回憶道。
當錢學森1935年來到這裡時，這一項目已經網羅了多位飛機製造業的先驅人物，其中首推講授航空工程學的機械工程系系主任傑羅姆·亨塞克（Jerome Hunsaker）。他以在飛船設計建造領域的突出造詣而聞名，並負責設計了第一艘飛越大西洋的NC-4號飛艇。有「美國氣象學之父」之稱的卡爾·羅斯比（Carl Rosby）則是系裡的另一位能人。除此之外，航空工程系的畢業生也開始成為方興未艾的航空工業中的業界領袖。一些人的名字將在未來變得家喻戶曉，比如指揮了轟炸東京的詹姆斯·杜利特爾（James Doolittle）將軍，麥克唐納飛機製造公司的創始人J. S. 麥克唐納（J. S. McDonnell），以及道格拉斯（Douglas）飛機公司的唐納德·道格拉斯（Donald Douglas）。
錢學森在麻省理工學院的學習成績依然保持著自幼一貫的優異出眾。有個故事說，他曾經選了一門課，考試時，教授出的考題非常之難，絕大多數人都沒能及格。學生們經過一番討論後，決定向這位教授提出抗議。「當他們來到這位教授的辦公室前時，」麻省理工學院畢業生韋伯斯特·羅伯茨（Webster Roberts）這樣寫道，「他們發現，錢學森的考卷正貼在門上。鋼筆寫就的試卷工工整整，沒有一點錯誤，也沒有一絲橡皮擦拭或塗改的痕跡！於是再沒人向那位教授抗議了。」
但是，麻省理工學院所重視的除了考試和開創新理論，還有動手實踐的能力。而在這一點上，錢學森就全然無助了。錢學森在麻省理工學院結交到了一位密友威廉·桑斯特（William Sangster）。兩人經常一起在桑斯特租住的一對蘇格蘭退休夫婦的家中搭伙吃飯，這裡的伙食比起學生食堂裡的飯菜要討人喜歡得多。吃完晚飯，桑斯特會在鋼琴上彈奏幾曲，而錢學森以次中音號在旁伴奏。「當錢學森吹得高興時，他會微微一笑。」
有一天，在實驗車間裡，錢學森滿面憂愁地走到桑斯特的工作台前，向他請教如何將防火牆後的燃料罐與防火牆前面的發動機連接起來。桑斯特幾乎難以置信。在防火牆上鑽個小洞，用銅管把燃料罐和發動機一接，不就完事了嗎？桑斯特這樣對錢學森說，他認為這個問題「相當愚蠢」。但是，「看起來，錢學森很難接受可以在防火牆上鑽孔這樣的事實」。
或許在錢學森的想法中，破壞防火設備的完整性是絕對無法接受的。但也有另外一種可能，即是在錢學森成長的環境中，像這樣的體力勞動被認為應該是僕傭們才幹的事。多年以後，一位醫學研究人員如是評論在中國知識分子精英身上普遍存在的這種特性：「（他們）對手工勞作存在一種普遍的鄙視。這讓人想起小心地留著3寸長指甲，並用竹製或銀質指甲套加以保護的官老爺。指甲的長度暗示著用手的機會是多麼的少，而這是權勢的終極像征。」不管對動手操作是鄙視還是全然的不熟悉，很明顯，實驗室操作令錢學森心生畏懼，而在車間工作則令他疲憊萬分。
更糟的事情還在後面。錢學森的碩士論文是關於湍流邊界層的。所謂邊界層，指的是與特定物體表面接觸的一層稀薄的氣體或液體。當飛機飛行時，機翼上便包有一層這樣的氣體粒子。它們會產生輕微的摩擦，影響到整個機翼上方的空氣流動模式。1904年，傑出的德國空氣動力學家路德維希·普朗特（Ludwig Prandtl）發現了湍流邊界層的存在，他發現，必須要將這個湍流邊界層的流動模式與其他部分的空氣流動模式區分開來。在研究翼面（阻斷空氣的任何物體）表現時，普朗特將「阻力」的概念引入了飛機設計之中。如果在討論機翼表面時忽略了這個湍流邊界層，飛機的飛行速度不僅會變緩，甚至有墜毀的危險。
有兩種湍流邊界層：層流與紊流。前者可以自如地穿過機翼表面，而後者卻會以不同的速率在空氣層之間翻騰。有時候，安靜的層流也會變得躁動不安，就像點燃的煙頭飄散的煙霧一樣，它先是垂直向上，但在空氣中行進了一段距離之後，便會隨機地翻滾波動。總的來講，湍流邊界層的流動在翼面前端呈現為層流，而在翼面尾端則呈現為紊流。錢學森便致力於通過實驗研究這種現象。
1936年夏天，錢學森與來自賓夕法尼亞州傑拉德市的機械工程系二年級碩士研究生W. H. 彼得斯（W. H. Peters）合作，在講師約瑟夫·比克內爾（Joseph Bicknell）、副教授海因裡希·彼得斯（Heinrich Peters）和教授理查德·史密斯（Richard Smith）的指導下，開展對湍流邊界層的研究工作。兩個人絕大多數的時間都花在古根海姆大樓一層的風洞實驗室裡。他們所使用的風洞是個四方形的裝置，8英尺長，54英吋高，33英吋寬，三面牆壁用三合板做成，第四面則是打磨得極其光滑的鋼板，以減少摩擦。一架由兩馬力發動機驅動的電扇將空氣從風洞中吸出來，從而模擬風掠過機翼表面時所產生的力。鋼板上裝有銅質皮氏管插銷，它與壓力計相連接，以測量風洞中測試區的風壓。
錢學森和彼得斯此前未能預料到的一個問題是儀器自震產生的嚴重搖晃。為了研究湍流邊界層，錢學森需要空氣平緩地以平行方向流過鋼板，但風扇的呼嘯和風洞的形狀卻令儀器劇烈震動，甚至原地打轉。風洞測試區的壓力起伏不定，每一天，從早上8點到晚上10點，錢學森都在絞盡腦汁，設法令氣流平順下來。
這項工作既單調乏味又充滿挫折感。風洞安裝在地面上，錢學森要不斷地俯身下去，蹲著調整裡面的皮氏管、風扇和壓力計。他試著將一塊粗棉布堵在風洞的出口處，以消除氣流的旋轉。他還將直徑3英吋的鐵皮管焊接起來，製成一個蜂巢式的裝置，放在風洞內部，試圖糾正氣流的擾動。然而，所有這些嘗試都沒有收到任何成效。
「我們沒有獲得任何有意義的結果，」彼得斯回憶道。他後來放棄了自己的研究生論文，「氣流擾動的問題把一切都毀了。」錢學森的結論與彼得斯並無二致。在長達36頁的公式和圖表之後，錢學森附上了風洞的照片，並寫道：「從現有風洞獲得的結果因設備問題相當受限……除非作出相應的更改，否則現有的風洞無法得出任何確定性的結論。」
如果說這件事令錢學森深感失望的話，至少他掩飾得很好。在他的搭檔的記憶中，錢學森是個「害羞的好人」，寡言少語但卻能與人合作愉快。錢學森是如此的沉默，以至於彼得斯對於他打算離開麻省理工學院這件事一點都不知情。
關於錢學森為什麼在麻省理工學院僅僅待了一年就離開，歷來猜測紛紛。所有關於離開動機的故事都各自不同。我們所知道的是，他在麻省理工學院的日子相當孤獨。一位教師回憶道，錢學森在系裡幾乎「不存在」。天性羞澀而不善交流，再加上蹩腳的英語，令他的同學很難理解他在說些什麼。錢學森把自己封閉了起來，轉為向他的終生所愛和最好的朋友——古典音樂——尋求慰藉。1935年到1936年間，波士頓交響樂團在科索維茨基的指揮下一共舉行了20場演出，錢學森場場不落。「這是我唯一的娛樂方式。」他後來回憶道。
但很顯然，包括學術方面的其他因素也左右了錢學森的決定。有人說，錢學森是被迫離開麻省理工學院的。這個故事的一個版本來自錢學森的好朋友安德魯·費耶爾（Andrew Fejer）。費耶爾回憶道，錢學森曾經對他說，當他跟項目主任傑羅姆·亨塞克表達他對航空項目過於重視實驗的不滿時，亨塞克回答道：「聽著，如果你不喜歡這裡，你最好回中國去。」
另一個版本的故事則宣稱，錢學森本來是想留下來攻讀博士學位的。但夏茨維爾·奧伯（Shatswell Ober）教授告訴他，他必須先在飛機製造業獲得某些實踐經驗。「這實際上就是在說，不，別待在麻省理工學院，到別的地方去吧，」一位間接聽到過這個故事的麻省理工學院校友賈德森·巴倫（Judson Baron）回憶道，「我想，錢學森寧願去上其他學校，也不願進入實業界。」
由於當時美國航空工業中瀰漫著歧視亞洲人的風氣，錢學森很可能不願——或者是不能——找到一份這樣的工作。據曾經擔任過他秘書的王壽雲回憶，錢學森在麻省理工學院就讀期間，曾被要求到「不歡迎中國人的美國飛機製造廠」工作。與他生活在同一時期的留美學生對此表示認同：「在二戰之前，尤其是在大蕭條時期，只有美國白人才能在知名的美國公司裡找到工作，這被視做理所當然的事。」錢學森的一位日本同班同學這樣回憶道：「在大學裡獲得學位的亞洲人無論是否擁有公民權，都別指望能在美國公司裡找到合適的位置，只有繼續讀書，希望有朝一日返回祖國後可以找到機會。」
除此之外，對於所有年輕的航空工程師來說，20世紀30年代也是一段艱難歲月。即使錢學森是美國白人，找工作也不是一件容易的事。在大蕭條的衝擊下，飛機製造公司紛紛裁員。更糟糕的是，1935年通過的中立法案限製出售武器給交戰中的國家，這進一步影響了飛機製造業。錢學森的白人同學一方面四處投遞求職信，另一方面則仔細翻看《飛行文摘》（Aero Digest）和《航空週刊》（Aviation Week）這樣的行業雜誌，希望從裡面找到正在招聘的新公司的地址。「收到的回復幾乎總是一樣的，」一位麻省理工學院校友回憶道，「沒有職位空缺。」
也許換一個時代——假如錢學森可以在飛機製造公司找到一份工作，或是麻省理工學院的教授能夠體會到錢學森所面臨的實際困難，幫助他謀得一職或甚至對他的研究工作給予大力支持——錢學森可能也就待在麻省理工學院了。但如果真的如此，那將是一個錯誤的決定。很明顯，無論是在性格上還是在科學研究的方法論上，錢學森與麻省理工學院都大相逕庭。錢學森想要的是一種理論式的教育，而麻省理工學院的航空工程系則以培養具有實際動手能力、一畢業就能投入生產的工程師為傲。錢學森在中國的圖書館中長大。他的大多數美國同學則在家庭式實驗室中成長，在穀倉、地下室和車庫裡整日擺弄汽車零配件、腳踏車、無線電和飛機模型。錢學森曾經對朋友說，美國人「一生下來手裡就拿著活動扳手」。他一度希望師從於麻省理工學院的一位偉大的數學科學家，但他的教授們按照麻省理工學院校友鮑勃·薩默斯（Bob Summers）的話來說：「與其說是科學家倒不如說是探險家。」一位科學史評論家這樣寫道：「他們心目中的科學家是像愛迪生那樣的，而不是像愛因斯坦那樣的。」
不管怎樣，當錢學森離開麻省理工學院時，他的心情一定非常沉重。如果就此收拾行李返回中國，他的選擇將十分有限。一個碩士文憑可以為他謀到一個管理者的職位，但那並不是他想要的。從本質上講，如果現在就回國，那便意味著放棄他以專業技術幫助中國抵禦外侮，進而將中國從國民黨的腐敗統治中解救出來的夢想。
而從個人層面上來講，在研究生課題只完成了一半的情況下就回國，會令錢學森不得不面對父親和老師失望的目光。更重要的是，他也想為自己找到一個說得過去的理由，來解釋為什麼會在麻省理工學院學業上未有收穫。
當錢學森思索未來時，一些其他的念頭一定也曾在他的腦海中翻來覆去。如果他現在就打道回府，他以前所受的教育實質上就要就此中斷了。當時的中國並沒有一個可以與美國相媲美的類似研究機構。對於像錢學森這樣好學的人，這或許是不得不面對的最痛苦的現實。不管那些拿到庚子賠款獎學金的中國留學生前往美國學校前是否考慮過自己在那裡可能收穫些什麼，很清楚的一點是，他們中的大多數人都為那種純粹的學術研究氛圍和大量投入的研究資源所震撼，尤其是在有潛在軍事或工業應用前景的那些學術領域。「當我們看到美國大學裡都有些什麼之後，」同樣在麻省理工學院就讀的另一位留美學生如是說，「我們再也不想回國了。大多數中國學生都努力讓自己在美國停留的時間盡可能延長。」毋庸置疑，錢學森不可能完全不受這些因素的影響。
前思後想的結果令錢學森只有一條路好走：在美國尋找另外一所願意錄取他攻讀博士學位的研究生院。與麻省理工學院一樣擁有類似項目的學校只有位於西海岸、當時還不甚出名的加州理工學院（California Institute of Technology）。非常重要的是，在加州理工學院主持古根海姆航空實驗室的西奧多·馮·卡門以秉承德國式的理論思辨傳統而著稱。這裡強調的是紙和筆，而不是動手實踐的經驗。
幸運的是，馮·卡門曾經擔任過管理庚子賠款獎學金項目的清華大學的學校顧問。或許馮·卡門會願意收錢學森為學生呢？錢學森本可以寫信或打電話去探一下口風，但那可不是他的風格。他直接跑到了加州理工學院，與馮·卡門親自會面。