他多次向冯·卡门提出了回国的要求。但冯·卡门始终不点头。钱伟长最后以思念家人和不曾见过面的六岁孩子为由，要求回国探亲。1946年5月6日，钱伟长只带了简单的行李和几本必要的书籍，从洛杉矶乘船回国。当时他34岁。
1946年8月，钱伟长来到清华大学，眼前的景象让他吃惊。母校已经四壁皆空，门窗全无，到处都是如山的垃圾。抗战胜利后，在复校的师生到来之前，国民政府委派官员在此接管了三个月。
“他们把门窗弄下来，拿到市井去卖。”钱伟长说：“接收大员把学生床和图书馆的书都拿去卖了。”
钱伟长只得自己掏钱，把图书买回来。为了实现“科学救国”的抱负，钱伟长几乎承包了清华大学机械工程系、北京大学和燕京大学工学院的基础课应用力学和材料力学，物理系的理论力学、弹性力学等课程，还担任《清华工程学报》主编等审稿工作。教学之余，钱伟长继续在润滑理论、圆薄板大挠度理论等领域研究，撰写并发表了8篇有影响的论文。
1949年，钱伟长导出了润滑问题的高阶雷诺型方程，并进一步建立相应的变分表达式，从而使计算工作量大为减少。他的成果可用于计算润滑轴承问题，计算结果正确可靠。这是润滑流体动力学一篇经典之作。
1949年3月，从内战中恢复的清华大学成立了校务委员会，由叶企孙任主任，钱伟长为副教务长。1952年院系调整后，钱伟长被任命为纯工科的清华大学教务长。1956年钱伟长又被任命为清华大学副校长，仍兼教务长和力学教授。
1951年中国科学院成立之初，钱伟长就兼任数学研究所力学研究室主任。钱学森回国后建立了中科院力学研究所，钱伟长又兼任了副所长。1955年中科院学部成立，钱伟长成了第一批被选聘的学部委员。
“三钱”的称号，也是在这一时期提出来的。1954年至1956年，钱伟长花大量精力，参与周总理领导的制定自然科学12年规划的工作。
当时钱伟长等人经过讨论，提出了6项内容，即原子弹、导弹、计算机、半导体、自动化技术、无线电电子学。因为前两项作为国防尖端项目，由国家另行安排，因此后四项成为了国家“四大紧急措施”。规划研讨会上，钱伟长的意见，总能得到钱三强钱学森两人的支持。周总理把他们称为“三钱”。
尽管兼职让钱伟长忙得不亦乐乎，他并没有打乱自己的科研节奏。这几年他发表了20多篇科研论文，出版了《弹性柱体的扭转理论》、《圆薄板大挠度问题》等专著。
1954年，钱伟长和他的学生合著的科学专著《弹性圆薄板大挠度问题》出版，在国际上第一次成功运用系统摄动法处理了非线性方程。“钱伟长法”被力学界公认为是最经典、最接近实际而又最简单的解法。在第二年，这一成果获得了国家科学奖。1956年他还出版了中国第一本弹性力学专著。
凭借着开创性的学术贡献，钱伟长，和周培源、钱学森、郭永怀一起被称作中国近代力学的奠基人。
多才多艺
1957年初的一篇文章，让钱伟长吃了二十年苦头。
钱伟长于1957年1月31日在《人民日报》上发表了《高等工业学校的培养目标问题》一文，提出与苏联教育思想相背的不合潮流的见解。这篇文章引起的争论，在当年6月的“反右”运动中，给钱伟长带来了麻烦。他被划为“右派”，并被撤销一切职务。
这是钱伟长始料未及的。但他顽强地继续着自己的工作。并在一切允许的情况下施展才华。“我没有专业，”他总结道：“我以国家需要为专业。”
酷爱教学与科研的他只能转入“地下”。一些懂行的专家请他开设各类讲习班，诸如为北京地区冶金学界讲授“晶体弹性力学”、为航空学界讲授“空气弹性力学”、为力学界讲授“颤振理论”……听讲者少则数十人，多则数百人，而且都是系统讲座，常连续开讲数月至半年，为应用数学和力学培养了大批人才。当年的听讲者中不少人已成了该领域的学科带头人。
1964年，他写了一篇论文——《关于弹性力学的广义变分原理及其在板壳问题上的运用》，投递给《力学学报》，被以“不宜发表”为由而退稿。4年后，日本学者鹫津久一郎在书中表达了相似的论点。而1977年钦科维奇的《有限元法》一书对之明确论述，更是创造了一个新的学科领域。这让钱伟长惋惜不已。
钱伟长还干了不少与专业不太相关的事情：他曾代叶渚沛院士起草了加速推广转炉的建议书，设计了高炉加压顶盖机构和强度计算；在李四光的恳求下，钱伟长研究了测量地引力的初步设想措施，并推荐反右后流放到新疆的他的研究生潘立宙去从事该项研究；为国防部门建设防爆结构、穿甲试验、潜艇龙骨计算提供咨询；为人民大会堂眺台边缘工字梁的稳定提出增强方案；为北京工人体育馆屋顶网络结构提出计算方法……
1960—1966年间，钱伟长共讲授了12门教学计划外的新课，编写了600万字的教材。
1968年，钱伟长被下放工厂，做了一名炉前工。他没有抱怨这一安排。钱伟长和工人们一起，白手起家建造了热处理车间。他发明了一种杠杆设备，可以让工人更容易地拿起52公斤重的铁棒。他还和工人们一起设计建成了当时北京最好的液压机。加工不了的大零件，包括外单位的，都拿到这里来压。
很快，钱伟长得到了一个周恩来派给的任务——研究坦克电池。“当时我们的坦克吧，开着开着就开不动了，”钱伟长说，“因为电池的耐力有限。我当时做的是锌氧电池，目的是研究出来坦克专用。”
钱伟长除了学生时的一点化学基础，并不懂电池。但他骑着一辆自行车，不管天冷天热，跑遍了北京市所有跟电池有关的单位。他查了三百万字的资料，大概研究了一年多一点，高能电池研究出来了，比美国通用公司的产品性能更高。他协助建立了一个锌氧电池厂。
钱伟长还进行着一项与坦克有关的研究，他对高速撞击问题发表了多篇研究论文。他的专著《穿甲力学》，获过全国优秀科技图书一等奖。
“我回国以后，干过十几桩事情，”钱伟长说，“奇奇怪怪的专业，所以有人骂钱伟长是万能科学家。我不理。”他的研究项目五花八门。他推导过13000个三角级数求和公式；还研究过汉字计算机编码，发明了获奖的“钱码”。
“我觉得国家需要的，我都干。”他总结道，“我的目的是解决问题。”
新来的“老校长”
1978年，钱伟长感到无比振奋。他在当时出版的一篇论文集的序言里写道：“我力图夺回已经失去的良好岁月，日以继夜地工作。”
