1957年11月，國防部第五研究院成立兩個分院。一分院，負責(zé)地對地導(dǎo)彈總體設(shè)計和彈體、發(fā)動機研制，包括總設(shè)計師、空氣動力、結(jié)構(gòu)強度、發(fā)動機和推進劑五個研究室；二分院負責(zé)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的設(shè)計工作，包括控制系統(tǒng)、控制元件、無線電、計算機、技術(shù)物理五個研究室。1961年成立了三分院，承擔(dān)空氣動力學(xué)研究試驗，液體發(fā)動機和沖壓發(fā)動機研究試驗及全彈試車等任務(wù)。1964年成立了四分院，從事固體火箭發(fā)動機研制。

1957年11月16日，周恩來總理任命錢學(xué)森兼任國防部第五研究院一分院院長。

1958年2月，中國人民解放軍通信兵部所屬軍事電子科學(xué)研究院劃歸國防部第五研究院。

1958年6月10日，中共中央通知，為了加強對“兩彈”研制工作的黨的一元化領(lǐng)導(dǎo)，決定成立直屬中央政治局的科學(xué)小組，聶榮臻為組長。

三個月后，聶榮臻向彭德懷匯報：鑒于國防尖端科研工作已經(jīng)在軍隊和地方的研究機構(gòu)、院校、工業(yè)部門廣泛展開，單靠航委領(lǐng)導(dǎo)，已難以勝任，建議在航委的基礎(chǔ)上，充實力量，改組為統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)國防科研工作的行政領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)。

彭德懷表示贊成，要聶榮臻代軍委起草向中央的報告。聶榮臻在報告中提出：“建議把原國防部航空工業(yè)委員會的工作范圍加以擴大，改為國防部國防科學(xué)技術(shù)委員會（簡稱國防科委），在軍委、中央科學(xué)小組領(lǐng)導(dǎo)下工作。”

1958年10月16日，中央批準了軍委的報告，任命聶榮臻為國防科委主任，陳賡為副主任，安東任國防科委秘書長。后來，又增加了劉亞樓、張愛萍、萬毅為副主任。國防科委在中共中央、國務(wù)院、中央軍委領(lǐng)導(dǎo)下，對國防科技工作負全面領(lǐng)導(dǎo)責(zé)任。

在錢學(xué)森的領(lǐng)導(dǎo)下，擁有四個分院的國防部第五研究院，成為中國導(dǎo)彈的分工細致、學(xué)科完備的研制機構(gòu)，成為中國導(dǎo)彈起飛的堅實基礎(chǔ)。

國防部第五研究院建立了極其嚴格的保密制度。據(jù)錢學(xué)森的學(xué)術(shù)秘書劉兆世回憶，當時進出國防部第五研究院必須持通行證。通行證分甲、乙、丙三種，每一種通行證又分為有沒有圓圈。劉兆世所持是甲字帶圓圈的通行證，可以在全院各部門進出。錢學(xué)森所持的代字加圓圈的紅色通行證，不僅可以在全院各部門進出，而且可以帶沒有通行證的人一起進出。這種紅色通行證，只限于幾位院領(lǐng)導(dǎo)持有。

有一回，劉兆世陪同錢學(xué)森前往空氣動力所，警衛(wèi)戰(zhàn)士看了劉兆世的通行證，放行了?？墒蔷l(wèi)戰(zhàn)士卻把錢學(xué)森擋在門外，因為他沒有見過代字加圓圈的紅色通行證。劉兆世趕緊進去，把莊逢甘所長請出來，這才使錢學(xué)森得以進門。莊逢甘所長要批評那位警衛(wèi)戰(zhàn)士，錢學(xué)森說警衛(wèi)戰(zhàn)士沒有錯，錯誤在領(lǐng)導(dǎo)，沒有把各種通行證說清楚。

錢學(xué)森的工作重心逐漸向國防部第五研究院傾斜，在國防部第五研究院工作的日子越來越多。到了后來，每周六天之中（當時每周只休息一天），周一至周五在國防部第五研究院上班，只有周六才去中國科學(xué)院力學(xué)研究所上班。不過，在種種對外的報道中，錢學(xué)森總是以中國科學(xué)院力學(xué)研究所所長的身份出現(xiàn)。