1955年9月17日，钱学森和他的家人手持三等舱船票，站在洛杉矶港口，等待登上克利夫兰总统号邮轮。从对他的遣返令宣布生效那一刻起一直到此时，加州理工学院喷气推进实验中心一直笼罩在沉静肃穆的气氛中。
码头上挤满了记者，甚至于一些钱学森的朋友都无法靠近他作最后的告别。钱学森对报纸记者说道：“我不打算回来。我没理由再回来。我已经考虑过很长时间。我准备尽我最大的努力，来帮助中国人民建设一个能令他们活得快乐而有尊严的国家。我的归国之旅被这个国家（美国）所刻意阻挠。我建议你们去问问美国国务院，这到底是为了什么。对于你们的政府和我自己，我无愧无怍。我对美国人民并无怨恨。我的动机只是寻求和平与幸福。”
登上轮船时，钱学森和他的家人摆好姿势让媒体拍照。照片里的钱学森身着西装领带，微微卷曲的头发向后梳着，脸上带着淡淡的微笑。蒋英站在他的右边，一身深色小礼服，胸前装饰着一束绢花。前排是钱学森的两个孩子：7岁的钱永刚留着小平头，正咧嘴大笑，他穿着条纹衬衫和短裤，打着领结，外面罩着一件白色夹克衫。他旁边的是4岁的钱永真，留着童花头，穿一件白色小洋装，怀里抱着洋娃娃。他们看上去焕然一新，非常健康，而且十分美国化。如果忽略掉那些中国人的面部特征，几乎可以说这是一个20世纪50年代的标准美国家庭的样子。
下午4点，钱学森一家正式起航前往中国。在他身后，留下了一群为这个结果而目瞪口呆的人。在证据极其微弱无力的“指控”下，现在，钱学森打道回国了，如果没有美国的帮助，中国根本不可能得到他——这个人，不仅拥有对火箭科学的广博知识，更具备调动一切所需力量令其祖国在科学上大步前进的能力。
许多人都对钱学森被遣返一事勃然大怒。“我宁愿把钱学森枪毙了，也不愿让他离开美国！”丹·金博尔在1950年左右对他的多位朋友如此说过，“他知道太多有价值的信息了。不管在哪里，他都值5个师！”多年之后，当被问起这件事时，金博尔说道：“这是美国做过的最愚蠢的事情了。与其说钱学森是个共产党员，还不如说我是共产党员，我们竟把他给逼走了。”
钱学森的律师格兰特·库珀也同样愤怒。美国移民局从未告知库珀，钱学森的身份已经发生变化，他们也没有将钱学森被遣返一事通知给库珀。库珀很早便打算替钱学森申请人身保护令，这样，如果移民局决定遣返钱学森，就必须出庭接受质询。然而，当钱学森坐船返回中国时，库珀正在旧金山参加一次会议，直到他的秘书从《洛杉矶时报》上看到钱学森离开的消息，他才获知此事。“用‘大为震惊’来形容我当时的感受，那还是轻的。”1955年9月29日，库珀在写给美国移民局的信中说道，“如果我作为一名律师，在对方没有得到通知或没有律师协助的情形下与他打交道，那我可能会面临严厉的处罚，甚至可能被取消律师资格，我不认为作为政府部门就应该例外。”
从9月底到10月第一周，克利夫兰总统号在夏威夷、日本和菲律宾的港口都曾停泊过。尽管其他乘客到港时纷纷下船观光，但钱学森一家却一直待在船上。他之后写道，这样做主要是因为，如果他下了船，美国政府便不会对他的安全负责。
为了打破船上生活的单调乏味，钱学森一家同其他一些中国乘客交上了朋友。与他们同乘一船的大约有20～30名在美国接受教育的中国学者，他们也选择举家返回祖国。10月1日，这群人在船上庆祝了中华人民共和国成立6周年。钱学森在庆祝活动中演奏长笛，蒋英和钱永刚、钱永真则演唱中国民歌。在钱学森的倡导下，这些人成立了一个名为“克利夫兰总统号联合会”的小型俱乐部，成员中既包括成绩斐然的科学家，也包括只有7个月大的小宝宝。
钱学森尤其喜欢与曾在芝加哥大学和马里兰大学工作过的工程学博士许国志聊天。许国志为钱学森的智慧和渊博的学识而深深折服。他发现，钱学森在船上花了很多时间阅读技术书籍和文章，但对科学之外的众多话题却也十分关注。与此同时，钱学森注意到许国志的数学才能，与他讨论了许多理论问题，这成为他们之后在工程控制论领域合作的开端。当他们两个谈起回国后准备在新闻发布会上公开的声明时，钱学森看起来对即将面临的挑战——帮助祖国奠定科学和技术基础结构——十分兴奋。不过，钱学森也表达了他对于中国缺少计算机、可能影响工程学研究速度这一问题的担心。
10月8日清晨，克利夫兰总统号驶近香港。钱学森将脸紧紧贴近舷窗，逐渐认出了礁石和海岸线的轮廓。后来，钱学森写道：“我急切地向外张望，在美国居住了20年后，我终于回家了。”邮轮正式靠岸时，天已大亮。钱学森和所有中国乘客都登上小艇，直接开到九龙火车站。在那里，一大群记者早已等候在场。他们费了一番力气才挤进由一队警察把守的大房间，每个门口都有两名警官站岗。警察们成功地将记者挡在门外两小时，但最终，他们还是不得不屈从于媒体的需求。
据钱学森日后的回忆，当时，一下子便涌进了一大群记者。每个中国科学家都立时被4到5名记者包围起来，劈头而来的问题诸如：“你是否会在军工厂工作？”“你是否会从事原子弹火箭制造？”“你是不是用来交换美军飞行员的？”“你恨美国吗？”一份访谈记录显示出当时钱学森是多么不情愿与这些记者说话。
记者：你被扣押的那些文件怎么样了？
钱学森：此刻我无法回答这个问题。
记者：所有在美国的中国留学生都希望回国吗？
钱学森：我无法回答。
记者：你去美国前在哪里读的书？能不能跟我们谈谈这件事？
钱学森：这根本不重要。我不认为我需要回答你。
记者：你能告诉我们，你还有哪些朋友没有被释放回国吗？
钱学森：我们中国人在美国没有言论自由，我也不打算回答这个问题。
记者：美国领事馆派人来问过你什么吗？
钱学森：为什么你不自己去问问美国领事馆呢？
记者：回到中国后你会最终安顿在哪里？上海、北京、还是天津？
钱学森：（不回答）
记者：你女儿是出生在美国吗？
钱学森（考虑片刻后）：是的。
记者：如果你女儿出生在美国，她仍是美国公民吗？
钱学森：你可以自己去查一下。
记者：你女儿说中文吗？
钱学森：这是我的私事。我拒绝回答这个问题。
记者：你什么时候和你妻子结的婚？
钱学森：这个问题离题了。
记者：你曾受过监视吗？
钱学森：我不知道。
记者：你随身带着所有的书和行李吗？
钱学森：绝大部分。
记者：是否有一部分被扣押了？
钱学森：是的。
记者：哪些东西被扣押了？
钱学森：根据美国出口管理条例，你不允许带出任何无法从市面上买到的物品。
记者：那就是说，你的航空工程学笔记都被扣押了？
钱学森：所有的笔记，比如日记。
（一名中国记者用英语提了一个问题。）
钱学森（微笑着）：我认为每个中国人都应该说中国话。
记者：我只会说粤语和英语。
钱学森：我认为普通话在中国用得很普遍，而你是一个中国人，你应该学说普通话。
（众笑）
“同样的问题，同样的心态，就像我离开洛杉矶港时遇到的记者们一样！”钱学森写道，“我对这些人无话可说。当这些猎奇者们最终失望而归时，我们终于能够如愿上路。”
火车将钱学森和他的家人送到深圳，这里是从香港进入中国大陆的最后一个英国检查站。就在那儿，有人看到了五星红旗。“是的，是我们的国旗！”钱学森回忆道，“在正午的阳光下，那么鲜艳夺目！我们全都立时肃然无声，许多人眼中含泪。走过小桥，现在，我们身在我们的祖国，我们骄傲的家乡——一片有着4000年绵延不绝的文化的土地。”
这时候，他们听到了大喇叭里传出的声音。“欢迎同胞！全国人民欢迎你们！第一个五年计划已经进入第三年。我们需要你们！让我们携起手来，为更美好更富足的生活而奋斗！”对钱学森的官方欢迎自此开始。中国科学院的代表们和其他官方科学协会的人都来到深圳欢迎钱学森。当回忆起那一时刻时，钱学森说：“多么大的不同！真是兄弟般的温暖！没有捕风捉影的记者，也没有鬼鬼祟祟的联邦调查局特工！我们呼吸着纯洁、清新、健康的空气！”
接下来，钱学森开始四处观光游览，接受大家对他归国的欢迎。在深圳接受了简单的海关检查之后，钱学森登上了开往广州的火车。这个位于珠江畔的南部重镇距离深圳只不过100多英里。火车几乎每过一个小镇都要停下来，在钱学森的描述中，每一个都非常整洁有序。“车窗外，车站上全然看不到垃圾。没有随地乱扔的报纸或烟头。对获得新生的祖国的这个第一印象令我非常欣喜。”
在广州，钱学森受到了明星般的待遇。当地精英人士前往站台欢迎，并在中国自然科学联合会广州分会设宴为他接风洗尘。钱学森还在众人陪伴下浏览了市容。值得一看的东西很多。成千上万条满载货物的船只每日在这个港口城市驶进驶出，很多人终日生活在水上。白天，街道上店铺云集，车水马龙。到了晚上，数千盏大红灯笼将珠江映得一片通红。
但对钱学森来说，留下最深刻印象的还是对两座党史博物馆的参观游览。一所博物馆正在展出苏联的经济和文化成就，而另一所博物馆则反映了中国革命筚路蓝缕的开端。位于孔庙的后一所博物馆是广州农民运动讲习所的故址，毛泽东曾在这里教书。钱学森惊讶于这里的简陋：教室里只有几张手工制作的粗糙长凳，毛泽东的卧室里，长凳上铺了几张木板就成了床。钱学森开始对共产主义表现出浓厚兴趣，他开始阅读毛泽东选集、新中国宪法和其他有关第一个五年计划的书籍。
又过了几天，10月13日，钱学森抵达上海。如今已经74岁高龄的钱父早已等在车站。深知儿子对艺术的爱好，钱家治送给钱学森的见面礼物是一组著名的中国画。这也是钱家治第一次得见自己的两个孙子孙女。刚开始时，沟通想必不那么容易，因为钱永刚和钱永真几乎听不懂中文。然而，这并不能影响一家人的天伦之乐。合家团圆的这一天，恰逢钱永刚的生日，一家人按照中国传统吃了象征长寿的面条。
钱学森在上海待了两星期，与老朋友见面，重拾旧日回忆。他也拜访了自己的母校交通大学，这里的招生规模已经从20世纪30年代的每年700多人增加到了6000人。钱学森也顺道重访了杭州的儿时故居，给故去的母亲扫墓。
同8年前的那次归国见闻相比，钱学森对这里发生的种种变化大为惊叹。“上海对我来说不再熟悉，”钱学森写道，“街道如此干净，看不见小偷扒手，也没有拥挤的三轮车，或者是高傲的外国人。取而代之的是身着深蓝色棉布上衣的男男女女，以及带着红领巾的少先队员。全上海商店里的价格都是一样的，不再需要讨价还价。对上海来说，这真是新鲜事！”
10月底，钱学森和家人乘火车前往他此行的终点：北京。他们于10月28日抵达首都，由20位著名科学家组成的代表团到火车站迎接。这些人中包括3位钱学森在加州理工学院的老朋友：物理学家周培源和赵忠尧，以及曾在喷气推进实验室工作于钱学森手下的航空工程师钱伟长。接下来的几周时间里，钱学森像英雄一样在京城刮起了旋风。他频繁出席盛大的宴会，记者、科学家和官员都渴望与他攀谈。在中国科学院院长郭沫若和北京大学校长马寅初主持召开的接风宴上，中国的科学精英举杯向钱学森致敬。与此同时，钱学森也见到了当时的国家副总理陈毅和其他一些中国的最高领导人。
参加官方的欢迎仪式之余，钱学森也找机会游览了一下这个童年时代住过的城市。在火车上，钱学森已经从广播里得知，北京现在是教育和文化中心，兴建了不少新的公园和博物馆。现在，钱学森亲眼目睹到，北京的状况的确已经得到了改善。
北京城的今昔鲜明对比令人目瞪口呆。一些曾经举目可见的脏乱穷困的迹象如今都不见了。国民党统治时期，北京一些工人阶层只能住在窝棚里，一旦下大雨，污水和垃圾便会流得到处都是。现在，新的混凝土住宅项目、柏油铺的大马路、电线杆和市政自来水工程开始在城市中涌现。西蒙娜·德·波伏娃（Simone de Beauvoir）在她完成于1955年的回忆录《长征》（The Long March）中写道：“今天的北京，街道上不再有妓女，不再有鸦片的味道。广播里传送着京剧，商店悬挂着黑红两色的店标。昔日，人们要走很远才能挑到被污染的饮用水，今天，北京每一个路口几乎都安装有自来水龙头，清洁的水从中流出。当两辆自行车或黄包车撞到一起时，不再能听到尖叫或吵嚷的声音。”
贫穷为整齐划一所取代。新中国成立伊始，便建起了恢弘雄伟的人民纪念碑，四四方方的政府办公大楼也在城市中拔地而起。街道上，男男女女全都身着一色蓝布工装，看上去简直是一个消灭了等级差异的理想社会。
到达北京两天后，钱学森和家人游览了天安门广场。与城市里司空见惯的钢筋混凝土建筑不同，这里有汉白玉的石桥，雕龙刻凤的华表，还有闻名于世的天安门。在此前的数百年中，这里是通往紫禁城的主要入口。这座城门向来被视为政权的象征，在中华人民共和国的国徽正中，便是它的形象。钱学森回忆道：“这一幕太令人震撼了。对我来说，世界上没有哪一座名城能够和北京相媲美，而在北京，天安门是独一无二的。”
面对记者，钱学森表达了他对美国政府的愤慨，对新中国热情洋溢的颂扬，丝毫没有流露出内心对新生活的忐忑。的确，美国并没有给钱学森太多的选择——至少，就他的自尊心所能容忍的范围内，选择甚少。
钱学森应该知道，他在太空时代尖端科学领域作出原创性贡献的日子已经走到了尽头。在中国，他能做大事，但方式截然不同。在这里，他的远见卓识才是最重要的。他或许曾对自己说过，如果不再能够成为一个理论学家，至少，他可以成为一个中国的冯·卡门，帮助军方将新的科学发现应用到实际中去，为新一代年轻的科学家指出有待解决的问题，超越他自身所达到的高度。但钱学森也知道，他并不是回到一个大学式的研究机构中，他教导的人也并不会只是从事纯理论研究。冯·布劳恩或许是一个更合适的比喻对象。回到中国的钱学森是来帮助这个国家发展它所急需的防御武器的——那或许是远程导弹，或许是核弹，也有可能是人造卫星。钱学森丝毫不认为这些工作有何道德上的瑕疵可言，他也不认为这会对世界和平与安全造成威胁。近代以来，中国从未对外侵略扩张，它总是列强们殖民掠夺的目标，国家领土主权完整一次又一次地被侵犯。被日本轰炸，领土被日俄瓜分，从海上被法国、德国、英国和美国侵入，这些都是中国的惨痛历史。钱学森如今要做的事，将与他以前所做的科学工作大不相同。
刚回国时，钱学森是否对未来产生过某种担忧，我们不得而知。但几年后，他有些无奈地发现，他根本不确定自己是否有能力帮助中国制造一枚足以行驶防御功能的导弹。