Graduat en enginyeria mecànica (1934) per la Universitat Normal de Pequín, anà becat als Estats Units, on obtingué un màster en ciències (1936) al Massachusetts Institute of Technology (MIT) i col·laborà estretament amb el seu mentor, Theodore von Karman. Posteriorment anà al California Institute of Technology (Caltech), on obtingué el doctorat (1939). Durant la Segona Guerra Mundial participà en el projecte Manhattan i dugué a terme aportacions destacades en propulsió de coets formant part del nucli del Jet Propulsion Laboratory (1943) amb Von Karman i Frank Malina, dins del qual dissenyà míssils que foren utilitzats durant la guerra.
Els anys següents alternà l’activitat al MIT i al Caltech, i el 1947 obtingué la residència permanent als Estats Units. Sospitós de comunista, sobretot a partir de la creació de la República Popular de la Xina (1949), fou investigat per l’FBI i detingut. Més tard se li permeté exercir la docència en règim d’arrest domiciliari al Caltech, però no la recerca. Durant aquest temps escriví Engineering Cybernetics (1954), obra considerada una referència en la teoria de sistemes de control. El 1955, després d’un acord secret amb la Xina (i sense proves concloents de l’afiliació política que se li atribuïa) retornà al seu país.
Admès al Partit Comunista el 1958, dos anys abans fou nomenat director de la Corporació Xinesa de Ciència i Tecnologia Aeroespacial, des d’on supervisà els primers assajos de la Xina amb la bomba atòmica (1964) i d’hidrogen (1967). També dissenyà els equips tècnics per al programa de míssils, entre els quals els utilitzats en les guerres del Golf Pèrsic (1991) i el Iemen (2016), així com per al sistema de satèl·lits (des del 1970) i per al programa espacial xinès, que aconseguí el primer allunatge l’any 2009. Tot i que després de la normalització de les relacions xino-nord-americanes fou convidat als Estats Units, refusà tornar-hi perquè les autoritats nord-americanes no s’havien disculpat per la seva detenció. El 2001 fou batejat amb el seu nom l’asteroide 3763. L’any 2011, en el centenari del seu naixement, s’inaugurà a Shanghai el Museu Biblioteca Qian Xuesen.