1955年回國。1955年至1964年任中國科學院力學研究所所長、研究員，國防部第五研究院院長。1965年至1970年任第七機械工業部副部長。1970年至1982年任國防科工委科學技術委員會副主任，中國科協副主席。還歷任中國自動化學會第一、二屆理事長，中國宇航學會、中國力學學會、中國系統工程學會名譽會長，中科院主席團執行主任、數學物理學部委員。1986年至1991年5月任中國科協第三屆全委會主席。1991年5月在中國科協第四次全國代表大會上當選為科協名譽主席。1992年4月被聘為中科院學部主席團名譽主席。1994年6月當選為中國工程院院士。

　　是中國航天科技事業的先驅和杰出代表，被譽為“中國航天之父”和“火箭之王”。在美學習研究期間，與他人合作完成的《遠程火箭的評論與初步分析》，奠定了地地導彈和探空火箭的理論基礎；與他人一起提出的高超音速流動理論，為空氣動力學的發展奠定了基礎。1956年初，向中共中央、國務院提出《建立我國國防航空工業的意見書》。同年，國務院、中央軍委根據他的建議，成立了導彈、航空科學研究的領導機構——航空工業委員會，并被任命為委員。1956年，受命組建中國第一個火箭、導彈研究所——國防部第五研究院并擔任首任院長。他主持完成了“噴氣和火箭技術的建立”規劃，參與了近程導彈、中近程導彈和中國第一顆人造地球衛星的研制，直接領導了用中近程導彈運載原子彈“兩彈結合”試驗，參與制定了中國近程導彈運載原子彈“兩彈結合”試驗，參與制定了中國第一個星際航空的發展規劃，發展建立了工程控制論和系統學等。在空氣動力學、航空工程、噴氣推進、工程控制論、物理力學等技術科學領域作出了開創性貢獻。是中國近代力學和系統工程理論與應用研究的奠基人和倡導人。

　　1957年獲中國科學院自然科學一等獎。1979年獲美國加州理工學院杰出校友獎。1985年獲國家科技進步特等獎。1989年獲“小羅克韋爾獎章”、“世界級科技與工程名人”獎和國際理工研究所名譽成員稱號。1991年10月獲國務院、中央軍委授予的“國家杰出貢獻科學家”榮譽稱號和一級英雄模范獎章。1995年1月獲“1994年度何梁何利基金優秀獎”。1999年，中共中央、國務院、中央軍委決定，授予他“兩彈一星功勛獎章”。 2006年10月獲“中國航天事業50年最高榮譽獎” 。