在不知情的情況下，錢學森做好了回國的壹切準備，辦理了回國手續，買了從加拿大到香港的機票，把行李交給搬運公司裝運。然而，就在他們壹家打算離開洛杉磯的前兩天，也就是1950年8月23日午夜，他突然接到移民局的通知，不允許他們壹家離開美國。與此同時，美國海關扣留了錢學森的全部行李。就這樣，錢學森被迫回到加州理工學院。此後，美國聯邦調查局派人監視他的家人和他的壹切行動。
1950年9月6日，錢學森突然被美國聯邦調查局非法拘禁，他被送到移民局看守所羈押。在看守所裏，錢學森像罪犯壹樣被折磨。錢學森曾回憶說:“在15天的拘禁中，我瘦了30斤。到了晚上，間諜每隔1個小時就來叫醒我，我根本得不到休息，精神上處於極度緊張的狀態。”。錢學森被無故拘留後，加州理工學院的師生、錢學森的老師馮·卡門以及壹些美國友好人士向移民局提出強烈抗議，為他找了辯護律師，並籌集了654.38美元+0.5萬美元的保釋金將錢學森保釋出來。此後，錢學森繼續受到移民局的迫害。他的行動受到移民局的限制，並受到美國聯邦調查局特工的監視。他不被允許離開他居住的洛杉磯，並且經常被詢問。錢學森失去自由五年。
此時，國不能歸的錢學森在這五年間並沒有停止他獻身的科學事業。美國政府阻止他離開美國的原因之壹是因為他研究的火箭技術與國防有關。錢學森知道這壹點後，選擇“工程控制論”作為研究方向，幫助消除回國的障礙。事實上，工程控制論與生產自動化、電子計算機的發展和應用等國防建設課題密切相關，但美國當局當時並沒有意識到這壹點。
在錢學森回國的願望被美國無理阻撓的同時，中國還扣留了壹批美國人。其中有因違反中國法律而被中國政府拘留的美國國民，也有因侵犯中國領空而被中國政府拘留的美國軍人。1954 4月26日智納國際會議期間，中國代表團秘書長王炳南和美國代表團團長葉海亞·約翰遜分別代表兩國政府就平民回國問題展開接觸。在接觸中，王炳南指出，美國正在阻止許多居住在美國的中國人回國，其中包括科學家錢學森。1954年4月，美、英、法、中、蘇在日內瓦召開國際會議，討論解決朝鮮問題，恢復支那和平。與會的中國代表團團長周恩來指示，既然美國人要求英國外交官與我們疏通關系，我們就要抓住這個機會，開辟新的接觸渠道。在談判中，首先要聯系中國留美科學家錢學森，以及其他被扣留的問題。為了掌握主動權，周恩來指示中國代表團發言人黃華發表談話，要求美國政府歸還被扣押的中國公民和學生，並暗示中國願意就扣押美國人員問題與美國直接談判。在這種情況下，美國政府不得不同意與中國代表直接談判。
經周恩來批準，中國代表團秘書長王炳南於6月5日開始與美方代表、副國務卿約翰遜就兩國國民問題進行初步討論。美國向中國提交了被中國扣押的美國華僑和部分美國軍人名單，要求中國給他們壹個回國的機會。為了表示誠意，周恩來指示王炳南在6月15日舉行的中美第三次會晤中慷慨讓步，還要求美國停止扣押錢學森等中國留美學生。然而，中國的正當要求遭到了美方的無理拒絕。7月21日，日內瓦會議結束。為了不中斷溝通渠道，周恩來指示王炳南與美方商定，領事會談將於7月22日起在日內瓦舉行。為了進壹步表示與美方談判的誠意，中國政府決定先釋放四名被扣的美國飛行員。中國高調表態，是為了爭取錢學森等留美科學家盡快回國。但在這個關鍵問題上，美國人作弊了。美國代表約翰遜以中國找不到他要求回國的真正原因為由，拒絕讓錢學森回國。
就在周恩來總理為此焦慮不安的時候，時任全國人大常委會副委員長的陳叔同收到了壹封來自大洋彼岸的信，信中署名為“錢學森”。為了擺脫特務的監視，錢學森把這封信寫在壹小片卷煙紙上，放在寄給比利時親戚的信裏，然後交給陳叔同。在信中，錢學森請求祖國幫助他回國。陳叔同親自把信交給了周恩來。周恩來看後喜出望外:“這真是太棒了，完全可以反駁美國政府的謊言！”他立即作出周密安排，使外交部迅速將這封信轉交給正在日內瓦談判的王炳南，並指示:“這封信很有價值。這是無可辯駁的證據，證明美國當局仍在阻止中國公民回國。妳應該用這封信來揭露他們在談判中的謊言。”
王炳南遵照周恩來的指示，在8月1日中美大使級會談開始時率先發言。他對約翰遜說:“大使先生，在我們開始討論之前，我奉命向您通報以下消息:7月31日，中國政府根據中國的法律程序，決定提前釋放阿諾德等11名美國飛行員。他們於7月31日離開北京，預計8月4日抵達香港。我希望中國政府采取的這壹措施將對我們的會談產生積極影響。”但約翰遜還是老調重彈——“沒有證據表明錢學森會回國，美國政府不能強行下命令。”王炳南接著亮出錢學森寫給陳叔同的信，理直氣壯地反駁約翰遜:“既然美國政府早在1955年4月就公開宣布，允許留美學者自由來往，為什麽中國的科學家錢學森博士要在6月寫信給中國政府求助？顯然，中國學者要求回國的請求仍然受阻。”在事實面前，約翰遜無言以對。美國政府不得不批準錢學森回國的請求。1955年8月4日，錢學森收到美國移民局允許他回國的通知。
1955 9月17日，錢學森攜夫人蔣英和壹雙年幼的兒女登上“克裏夫蘭總統”號，踏上了回國之旅。1995 10 10月8日從美國返回廣州時，錢學森對接待他的中國旅行社的同誌們說:“我壹直相信，我壹定能回到祖國。今天，我終於回來了！”