1955年9月17日，錢學森和他的家人手持三等艙船票，站在洛杉磯港口，等待登上克利夫蘭總統號郵輪。從對他的遣返令宣佈生效那一刻起一直到此時，加州理工學院噴氣推進實驗中心一直籠罩在沉靜肅穆的氣氛中。
碼頭上擠滿了記者，甚至於一些錢學森的朋友都無法靠近他作最後的告別。錢學森對報紙記者說道：「我不打算回來。我沒理由再回來。我已經考慮過很長時間。我準備盡我最大的努力，來幫助中國人民建設一個能令他們活得快樂而有尊嚴的國家。我的歸國之旅被這個國家（美國）所刻意阻撓。我建議你們去問問美國國務院，這到底是為了什麼。對於你們的政府和我自己，我無愧無怍。我對美國人民並無怨恨。我的動機只是尋求和平與幸福。」
登上輪船時，錢學森和他的家人擺好姿勢讓媒體拍照。照片裡的錢學森身著西裝領帶，微微捲曲的頭髮向後梳著，臉上帶著淡淡的微笑。蔣英站在他的右邊，一身深色小禮服，胸前裝飾著一束絹花。前排是錢學森的兩個孩子：7歲的錢永剛留著小平頭，正咧嘴大笑，他穿著條紋襯衫和短褲，打著領結，外面罩著一件白色夾克衫。他旁邊的是4歲的錢永真，留著童花頭，穿一件白色小洋裝，懷裡抱著洋娃娃。他們看上去煥然一新，非常健康，而且十分美國化。如果忽略掉那些中國人的面部特徵，幾乎可以說這是一個20世紀50年代的標準美國家庭的樣子。
下午4點，錢學森一家正式起航前往中國。在他身後，留下了一群為這個結果而目瞪口呆的人。在證據極其微弱無力的「指控」下，現在，錢學森打道回國了，如果沒有美國的幫助，中國根本不可能得到他——這個人，不僅擁有對火箭科學的廣博知識，更具備調動一切所需力量令其祖國在科學上大步前進的能力。
許多人都對錢學森被遣返一事勃然大怒。「我寧願把錢學森槍斃了，也不願讓他離開美國！」丹·金博爾在1950年左右對他的多位朋友如此說過，「他知道太多有價值的信息了。不管在哪裡，他都值5個師！」多年之後，當被問起這件事時，金博爾說道：「這是美國做過的最愚蠢的事情了。與其說錢學森是個共產黨員，還不如說我是共產黨員，我們竟把他給逼走了。」
錢學森的律師格蘭特·庫珀也同樣憤怒。美國移民局從未告知庫珀，錢學森的身份已經發生變化，他們也沒有將錢學森被遣返一事通知給庫珀。庫珀很早便打算替錢學森申請人身保護令，這樣，如果移民局決定遣返錢學森，就必須出庭接受質詢。然而，當錢學森坐船返回中國時，庫珀正在舊金山參加一次會議，直到他的秘書從《洛杉磯時報》上看到錢學森離開的消息，他才獲知此事。「用『大為震驚』來形容我當時的感受，那還是輕的。」1955年9月29日，庫珀在寫給美國移民局的信中說道，「如果我作為一名律師，在對方沒有得到通知或沒有律師協助的情形下與他打交道，那我可能會面臨嚴厲的處罰，甚至可能被取消律師資格，我不認為作為政府部門就應該例外。」
從9月底到10月第一周，克利夫蘭總統號在夏威夷、日本和菲律賓的港口都曾停泊過。儘管其他乘客到港時紛紛下船觀光，但錢學森一家卻一直待在船上。他之後寫道，這樣做主要是因為，如果他下了船，美國政府便不會對他的安全負責。
為了打破船上生活的單調乏味，錢學森一家同其他一些中國乘客交上了朋友。與他們同乘一船的大約有20～30名在美國接受教育的中國學者，他們也選擇舉家返回祖國。10月1日，這群人在船上慶祝了中華人民共和國成立6週年。錢學森在慶祝活動中演奏長笛，蔣英和錢永剛、錢永真則演唱中國民歌。在錢學森的倡導下，這些人成立了一個名為「克利夫蘭總統號聯合會」的小型俱樂部，成員中既包括成績斐然的科學家，也包括只有7個月大的小寶寶。
錢學森尤其喜歡與曾在芝加哥大學和馬裡蘭大學工作過的工程學博士許國志聊天。許國志為錢學森的智慧和淵博的學識而深深折服。他發現，錢學森在船上花了很多時間閱讀技術書籍和文章，但對科學之外的眾多話題卻也十分關注。與此同時，錢學森注意到許國志的數學才能，與他討論了許多理論問題，這成為他們之後在工程控制論領域合作的開端。當他們兩個談起回國後準備在新聞發佈會上公開的聲明時，錢學森看起來對即將面臨的挑戰——幫助祖國奠定科學和技術基礎結構——十分興奮。不過，錢學森也表達了他對於中國缺少計算機、可能影響工程學研究速度這一問題的擔心。
10月8日清晨，克利夫蘭總統號駛近香港。錢學森將臉緊緊貼近舷窗，逐漸認出了礁石和海岸線的輪廓。後來，錢學森寫道：「我急切地向外張望，在美國居住了20年後，我終於回家了。」郵輪正式靠岸時，天已大亮。錢學森和所有中國乘客都登上小艇，直接開到九龍火車站。在那裡，一大群記者早已等候在場。他們費了一番力氣才擠進由一隊警察把守的大房間，每個門口都有兩名警官站崗。警察們成功地將記者擋在門外兩小時，但最終，他們還是不得不屈從於媒體的需求。
據錢學森日後的回憶，當時，一下子便湧進了一大群記者。每個中國科學家都立時被4到5名記者包圍起來，劈頭而來的問題諸如：「你是否會在軍工廠工作？」「你是否會從事原子彈火箭製造？」「你是不是用來交換美軍飛行員的？」「你恨美國嗎？」一份訪談記錄顯示出當時錢學森是多麼不情願與這些記者說話。
記者：你被扣押的那些文件怎麼樣了？
錢學森：此刻我無法回答這個問題。
記者：所有在美國的中國留學生都希望回國嗎？
錢學森：我無法回答。
記者：你去美國前在哪裡讀的書？能不能跟我們談談這件事？
錢學森：這根本不重要。我不認為我需要回答你。
記者：你能告訴我們，你還有哪些朋友沒有被釋放回國嗎？
錢學森：我們中國人在美國沒有言論自由，我也不打算回答這個問題。
記者：美國領事館派人來問過你什麼嗎？
錢學森：為什麼你不自己去問問美國領事館呢？
記者：回到中國後你會最終安頓在哪裡？上海、北京、還是天津？
錢學森：（不回答）
記者：你女兒是出生在美國嗎？
錢學森（考慮片刻後）：是的。
記者：如果你女兒出生在美國，她仍是美國公民嗎？
錢學森：你可以自己去查一下。
記者：你女兒說中文嗎？
錢學森：這是我的私事。我拒絕回答這個問題。
記者：你什麼時候和你妻子結的婚？
錢學森：這個問題離題了。
記者：你曾受過監視嗎？
錢學森：我不知道。
記者：你隨身帶著所有的書和行李嗎？
錢學森：絕大部分。
記者：是否有一部分被扣押了？
錢學森：是的。
記者：哪些東西被扣押了？
錢學森：根據美國出口管理條例，你不允許帶出任何無法從市面上買到的物品。
記者：那就是說，你的航空工程學筆記都被扣押了？
錢學森：所有的筆記，比如日記。
（一名中國記者用英語提了一個問題。）
錢學森（微笑著）：我認為每個中國人都應該說中國話。
記者：我只會說粵語和英語。
錢學森：我認為普通話在中國用得很普遍，而你是一個中國人，你應該學說普通話。
（眾笑）
「同樣的問題，同樣的心態，就像我離開洛杉磯港時遇到的記者們一樣！」錢學森寫道，「我對這些人無話可說。當這些獵奇者們最終失望而歸時，我們終於能夠如願上路。」
火車將錢學森和他的家人送到深圳，這裡是從香港進入中國大陸的最後一個英國檢查站。就在那兒，有人看到了五星紅旗。「是的，是我們的國旗！」錢學森回憶道，「在正午的陽光下，那麼鮮艷奪目！我們全都立時肅然無聲，許多人眼中含淚。走過小橋，現在，我們身在我們的祖國，我們驕傲的家鄉——一片有著4000年綿延不絕的文化的土地。」
這時候，他們聽到了大喇叭裡傳出的聲音。「歡迎同胞！全國人民歡迎你們！第一個五年計劃已經進入第三年。我們需要你們！讓我們攜起手來，為更美好更富足的生活而奮鬥！」對錢學森的官方歡迎自此開始。中國科學院的代表們和其他官方科學協會的人都來到深圳歡迎錢學森。當回憶起那一時刻時，錢學森說：「多麼大的不同！真是兄弟般的溫暖！沒有捕風捉影的記者，也沒有鬼鬼祟祟的聯邦調查局特工！我們呼吸著純潔、清新、健康的空氣！」
接下來，錢學森開始四處觀光遊覽，接受大家對他歸國的歡迎。在深圳接受了簡單的海關檢查之後，錢學森登上了開往廣州的火車。這個位於珠江畔的南部重鎮距離深圳只不過100多英里。火車幾乎每過一個小鎮都要停下來，在錢學森的描述中，每一個都非常整潔有序。「車窗外，車站上全然看不到垃圾。沒有隨地亂扔的報紙或煙頭。對獲得新生的祖國的這個第一印象令我非常欣喜。」
在廣州，錢學森受到了明星般的待遇。當地精英人士前往站台歡迎，並在中國自然科學聯合會廣州分會設宴為他接風洗塵。錢學森還在眾人陪伴下瀏覽了市容。值得一看的東西很多。成千上萬條滿載貨物的船隻每日在這個港口城市駛進駛出，很多人終日生活在水上。白天，街道上店舖雲集，車水馬龍。到了晚上，數千盞大紅燈籠將珠江映得一片通紅。
但對錢學森來說，留下最深刻印象的還是對兩座黨史博物館的參觀遊覽。一所博物館正在展出蘇聯的經濟和文化成就，而另一所博物館則反映了中國革命篳路藍縷的開端。位於孔廟的後一所博物館是廣州農民運動講習所的故址，毛澤東曾在這裡教書。錢學森驚訝於這裡的簡陋：教室裡只有幾張手工製作的粗糙長凳，毛澤東的臥室裡，長凳上鋪了幾張木板就成了床。錢學森開始對共產主義表現出濃厚興趣，他開始閱讀毛澤東選集、新中國憲法和其他有關第一個五年計劃的書籍。
又過了幾天，10月13日，錢學森抵達上海。如今已經74歲高齡的錢父早已等在車站。深知兒子對藝術的愛好，錢家治送給錢學森的見面禮物是一組著名的中國畫。這也是錢家治第一次得見自己的兩個孫子孫女。剛開始時，溝通想必不那麼容易，因為錢永剛和錢永真幾乎聽不懂中文。然而，這並不能影響一家人的天倫之樂。閤家團圓的這一天，恰逢錢永剛的生日，一家人按照中國傳統吃了象徵長壽的麵條。
錢學森在上海待了兩星期，與老朋友見面，重拾舊日回憶。他也拜訪了自己的母校交通大學，這裡的招生規模已經從20世紀30年代的每年700多人增加到了6000人。錢學森也順道重訪了杭州的兒時故居，給故去的母親掃墓。
同8年前的那次歸國見聞相比，錢學森對這裡發生的種種變化大為驚歎。「上海對我來說不再熟悉，」錢學森寫道，「街道如此乾淨，看不見小偷扒手，也沒有擁擠的三輪車，或者是高傲的外國人。取而代之的是身著深藍色棉布上衣的男男女女，以及帶著紅領巾的少先隊員。全上海商店裡的價格都是一樣的，不再需要討價還價。對上海來說，這真是新鮮事！」
10月底，錢學森和家人乘火車前往他此行的終點：北京。他們於10月28日抵達首都，由20位著名科學家組成的代表團到火車站迎接。這些人中包括3位錢學森在加州理工學院的老朋友：物理學家周培源和趙忠堯，以及曾在噴氣推進實驗室工作於錢學森手下的航空工程師錢偉長。接下來的幾周時間裡，錢學森像英雄一樣在京城刮起了旋風。他頻繁出席盛大的宴會，記者、科學家和官員都渴望與他攀談。在中國科學院院長郭沫若和北京大學校長馬寅初主持召開的接風宴上，中國的科學精英舉杯向錢學森致敬。與此同時，錢學森也見到了當時的國家副總理陳毅和其他一些中國的最高領導人。
參加官方的歡迎儀式之餘，錢學森也找機會遊覽了一下這個童年時代住過的城市。在火車上，錢學森已經從廣播裡得知，北京現在是教育和文化中心，興建了不少新的公園和博物館。現在，錢學森親眼目睹到，北京的狀況的確已經得到了改善。
北京城的今昔鮮明對比令人目瞪口呆。一些曾經舉目可見的髒亂窮困的跡象如今都不見了。國民黨統治時期，北京一些工人階層只能住在窩棚裡，一旦下大雨，污水和垃圾便會流得到處都是。現在，新的混凝土住宅項目、柏油鋪的大馬路、電線桿和市政自來水工程開始在城市中湧現。西蒙娜·德·波伏娃（Simone de Beauvoir）在她完成於1955年的回憶錄《長征》（The Long March）中寫道：「今天的北京，街道上不再有妓女，不再有鴉片的味道。廣播裡傳送著京劇，商店懸掛著黑紅兩色的店標。昔日，人們要走很遠才能挑到被污染的飲用水，今天，北京每一個路口幾乎都安裝有自來水龍頭，清潔的水從中流出。當兩輛自行車或黃包車撞到一起時，不再能聽到尖叫或吵嚷的聲音。」
貧窮為整齊劃一所取代。新中國成立伊始，便建起了恢弘雄偉的人民紀念碑，四四方方的政府辦公大樓也在城市中拔地而起。街道上，男男女女全都身著一色藍布工裝，看上去簡直是一個消滅了等級差異的理想社會。
到達北京兩天後，錢學森和家人遊覽了天安門廣場。與城市裡司空見慣的鋼筋混凝土建築不同，這裡有漢白玉的石橋，雕龍刻鳳的華表，還有聞名於世的天安門。在此前的數百年中，這裡是通往紫禁城的主要入口。這座城門向來被視為政權的象徵，在中華人民共和國的國徽正中，便是它的形象。錢學森回憶道：「這一幕太令人震撼了。對我來說，世界上沒有哪一座名城能夠和北京相媲美，而在北京，天安門是獨一無二的。」
面對記者，錢學森表達了他對美國政府的憤慨，對新中國熱情洋溢的頌揚，絲毫沒有流露出內心對新生活的忐忑。的確，美國並沒有給錢學森太多的選擇——至少，就他的自尊心所能容忍的範圍內，選擇甚少。
錢學森應該知道，他在太空時代尖端科學領域作出原創性貢獻的日子已經走到了盡頭。在中國，他能做大事，但方式截然不同。在這裡，他的遠見卓識才是最重要的。他或許曾對自己說過，如果不再能夠成為一個理論學家，至少，他可以成為一個中國的馮·卡門，幫助軍方將新的科學發現應用到實際中去，為新一代年輕的科學家指出有待解決的問題，超越他自身所達到的高度。但錢學森也知道，他並不是回到一個大學式的研究機構中，他教導的人也並不會只是從事純理論研究。馮·布勞恩或許是一個更合適的比喻對象。回到中國的錢學森是來幫助這個國家發展它所急需的防禦武器的——那或許是遠程導彈，或許是核彈，也有可能是人造衛星。錢學森絲毫不認為這些工作有何道德上的瑕疵可言，他也不認為這會對世界和平與安全造成威脅。近代以來，中國從未對外侵略擴張，它總是列強們殖民掠奪的目標，國家領土主權完整一次又一次地被侵犯。被日本轟炸，領土被日俄瓜分，從海上被法國、德國、英國和美國侵入，這些都是中國的慘痛歷史。錢學森如今要做的事，將與他以前所做的科學工作大不相同。
剛回國時，錢學森是否對未來產生過某種擔憂，我們不得而知。但幾年後，他有些無奈地發現，他根本不確定自己是否有能力幫助中國製造一枚足以行駛防禦功能的導彈。