1940年夏天，为了成功地研制出V－2导弹，完成这个巨大工程，冯·布劳恩全力以赴地干起来。工程难题堆积如山，亟待解决。而布劳恩对这一工作表现出极大的热情，在独创性的工程中，他有着非凡的领导和管理才能。
为了V－2早日诞生，他先后组建了“过氧化物蒸汽发生器研制小组”、“燃烧喷射实验小组”、“超音速风洞实验室”、“电子实验室”……布劳恩还邀请一些大学工程学、物理学、化学教授到佩内明德来，与他们合作，委托他们完成一些研究任务。
经过两年的不懈努力，第一枚V－2导弹终于可以矗立于发射架上，进行发射试验了。发动机点火时，发出了可怕的轰鸣声，导弹腾空地上升了一秒钟，随即因燃料供应发生故障，弹尾朝下落了下来。尾翼因缺乏抗这种强冲击的硬度，弯曲变形，然后V－2便翻倒下来，在爆炸声中炸得粉碎。
一个月后，第二枚经过改进的V－2导弹再次发射，布劳恩对它充满了期望。这一次V－2通过了令人担忧的音障升上了天空，直到第45秒时，人们还看得见它；突然间，它开始摇晃起来，在一片白色蒸汽之中解体了。
1942年10月3日，第三枚V－2升上了天空，直到第63秒切断电源时，导弹还可以清楚看到，然后渐渐离开视线；雷达跟踪表明，导弹上的发报机继续运转达5分钟左右，最后坠落在波罗的海。这第三枚V－2达到的最高高度达85公里，射程为190公里，虽然没达到预计射程，但多数专家均表示满意，这是一次非常成功的发射试验。
这次发射试验的成功引起了国内人士的普遍关注，希特勒也成了一个火箭迷。V－2导弹在德国投入大规模生产，并且即将投入军事应用阶段，此时的布劳恩更加繁忙，工作也带有极大的危险性。在1944年一次为测定弹头杀伤力和导弹准确性的实验中，他险些被自己的火箭武器击中，那次弹着点距离他只有300英尺。
1944年9月8日，德国部队从荷兰海牙郊外发射了第一枚用于实战的V－2导弹。发射后不到6分钟，下午6点43分，这枚带有2000磅炸药的46英尺长的火箭，在离英国伦敦很近的泰晤士河畔的奇齐克爆炸，造成严重破坏。这以后，导弹武器的应用最引人注目地开始了，10天之内，纳粹德国向伦敦倾泻了26枚V－2；戈培尔在电台上大肆鼓吹V－2导弹的威力。布劳恩也通过电台了解到，他那即将闻名世界的A－4火箭被希特勒命名为“报复武器2号”（V－2）。
布劳恩V－2火箭问世的意义类似于莱特兄弟发明的飞机，它们有两个共同点：飞机除了促进国际和平、发展民用航空和繁荣国际贸易外，还可以用于战争，同样，大型火箭即可以帮助人类探索宇宙和发展空间科学，也可以用于战争。
布劳恩和佩内明德火箭基地小组的成员们也为此感到懊悔，他们原想把V－2火箭作为月球飞行的第一步，但是却参与了残酷的战争行动。在二战中，德国总共向同盟国发射了6000~7000枚V－2火箭，造成数以万计的人员伤亡，经济破坏更为严重。布劳恩认为，他们研制V－2，并不是想要它作为一种残酷的杀伤性武器，他一心一意研制V－2的目的是宇宙旅行；对于V－2用于军事作战他深感遗憾。为此他受到了纳粹的怀疑，甚至遭到调查和拘捕。
新的开始
第二次世界大战结束以前，美国的火箭技术还不很发达，只能生产无控制火箭，比如火箭筒，小型固体燃料火箭和弹丸推进火箭。
从1946年初到1951年7月，美国的火箭试验的实际工作在布劳恩小组的实际参与和指导下全面展开，通过与通用电气公司的密切合作，火箭试验特别是V－2火箭试验取得了巨大的进展。1946－1951年的6年中，美国陆军试验发射了70枚V－2火箭。试验为火箭飞行积累了大量的数据，取得了丰富的经验。这些实验大都是在布劳恩及其同事的严密监督和积极参与下完成的，也正是由于布劳恩等人参与，“美国的V－2计划”才得以大大扩大起来。
在美国进行的V－2计划的主要目的是进行高层大气研究，借以取得数据，但同时也为其他有用的目的服务。布劳恩等人在装配、飞行前检验、发射和操纵，以及大型液体燃料导弹的发射等复杂问题上都取得了宝贵的经验。美国制造的操纵控制系统和其他导弹部件在德国科学家的帮助下进行了试验，导弹在飞行中的性能和偏航、侧滚、俯仰运动为以后的导弹发射提供了重要的数据资料。
布劳恩在试验过程中，在火箭技术方面也取得了自己前所未有的突破：他主持发射的火箭飞得越来越高，速度越来越快，推力越来越大，落点越来越准确，大型火箭不仅可以从地面发射，还可以在海洋舰艇上发射。由于布劳恩等人的努力工作和丰富的知识经验，美国的V－2计划取得长足进展，美国的实验机构也认识到V－2的巨大作用，开始加以利用。
当时由于战争刚刚结束，人们对于新的武器开发不感兴趣，所以布劳恩用于试验的经费是非常有限的。在这种情况下，美国政府和火箭试验基地的领导人们共同决定：研制一种小型超音速冲压喷气发动机为实验用飞行器。
布劳恩小组成了这一项目的负责者，这种飞行器被命名为“赫姆斯2号”。
对于布劳恩来说，这是一个很好很有趣的计划。在当时的环境下，从事这项试验又具有很大的挑战性，因为资金设备并不像在德国时那样充足，预算很少，设备是临时凑合的。但是布劳恩带领他的小组还是以惊人的才能把这项工作完成了。他们把两辆旧拖车改装成扩散器和燃烧实验台；空气由陆军过剩的一组机动压气机供应。为了在更有代表性的飞行高度条件下进行试验，他们硬是把全部设备拖到海拔10000英尺的内华达山脉上，在气压很低的情况下进行试车。布劳恩还在超音速冲压发动机扩散器、燃料喷射法、火焰稳定器等许多方面进行了试验，在一个新的领域中获得了大量知识。
对于布劳恩个人来说，从1946年到1951年是他调整、清理和重估的时期，也是他一生最快乐的一个阶段。
1947年3月，布劳恩被批准回德国与他的姨表妹玛丽亚结婚，婚后他们一起返回美国。1948年底，他们的儿子艾里斯出生了。
1939-1945年的战争岁月，让始终过着一种忙碌而又纷乱的生活，经历着一个又一个的危机。事实上，真正可以激励布劳恩进行科学研究的并不是战争武器，而是航天旅行。而在德国，一切科研都只能是在军界的指令性计划下进行，一切都要为战争需要而进行，航天旅行这种和平发展的科学项目在当时是异端，是不合时宜的，只能偷偷地搞。
回到美国后，布劳恩的精神得以恢复，因为工作不太繁重，这种被压抑的力量重新迸发出来，在工作之余，布劳恩根据V－2所产生的火箭推进技术的现状，开始研究大规模火星探险的可能性。为了把与这种探险有关的许多技术问题和非技术问题集中起来，布劳恩把自己的设想写成一部小说，名为《火星计划》。
在《火星计划》中，他指出人类进行大规模火星探险的基础是应用装有火箭的飞行器，在小说的附录中，布劳恩就这种飞行器的性能进行了深入细致的分析。布劳恩认真仔细地根据当时火箭技术条件的现状进行了种种假设，从工程学理论的角度证明人类从事大规模星际探险是完全可能的。他还指出，对探险后人还能不能活下来的问题作出明确问答之前，还必须对许多其他领域进行大量的研究，特别是人的因素方面。同时，他还认为，要实现载人宇宙飞行，必须实现超出国家界限进行努力。
1948年，布劳恩怀着极大的期望把《火星计划》的书稿寄给纽约的一家出版社。6个星期后，稿件被退了回来，复信中写道“太不可思议了！”布劳恩又把稿件寄到其他出版社去，依然被拒绝了，这样的退稿共计18次，最后布劳恩一气之下，把书稿藏到了阁楼顶上。我们可以想象，布劳恩的这部小说，如果作为科幻小说来说，未免太务实太平淡，但作为科学报告，又未免太离奇和不可思议。后来他的这部《火星计划》寄给一个专业作家，被改编成了一部扣人心弦的科幻小说出版，并作了大量改动，布劳恩署名为合着者。
在《火星计划》中，布劳恩设想：用10艘航天飞船组成一支飞船队，乘员则不少于70人，飞船队的每艘飞船将在两小时的绕地球运动中组织起来，部分可以重新使用的三级渡运火箭将把一切必须要的物资如推进剂、构件、生活供应和人员运送到轨道上。这些飞船在首次主动力飞行中将离开出发轨道，脱离地球重力场，进入环绕太阳的椭圆形轨道航行。当飞船队在与火星转道相切的椭圆形轨道上达到太阳远点时，它们将会受到火星重力的吸引，这时通过发动机的作用，进入绕火星的轨道，然后降落、登陆。用大致相同的方法，宇航员们会安全回到地球。
从技术上看，布劳恩的《火星计划》是合理的，今天依然切实可行，只要有足够的人力和物力。布劳恩为人类走向宇宙，奔向火星指明一条航线。
布劳恩在业余时间进行写作，每天白天，他要沉思在繁杂的陆军导弹计划之中。1950年，美国陆军制定了第一个大型导弹计划——红石计划。布劳恩全力以赴，担负起了这一庞大复杂工程的最重要部分动力系统和制导系统。
一枚导弹大体由三部分组成，即动力装置、制导系统和战斗部。而动力和制导又是最主要和最复杂的部分。由于布劳恩的辛勤努力，美国终于研制出了先进的中远程弹道导弹——红石导弹。在这枚导弹中，装有一个完整的弹道导弹惯性制导系统，应用了晶体管放大器。布劳恩小组还改进了导弹头锥的材料，使之更加耐热。因为中远程弹道导弹的自由飞行段是在外层空间飞行，重返大气层时因速度大，摩擦生热会溶化弹体头锥，损坏战斗部。
小组在改用玻璃纤维材料后，成功地发射了中程3级红石火箭。
1956年2月，美国陆军弹道导弹局成立，布劳恩担任了该局的技术指导。
在这里布劳恩的杰出组织才能和才智得以展现和发挥，不仅使这里发展成为一个巨大的科研中心，一切研制工作井井有条，而且在他的倡导和参与下，美国取得了水下潜艇发射运载火箭的成功。这一成果后来发展为北极星潜艇弹道导弹。
外层空间之梦
探索外层空间，让人类飞向茫无边际的宇宙，一直是布劳恩的梦想，但是作为一名科学家，他的一切设想都是极为务实的，一切建议都是中肯的。
来到美国以后，使人类探索外层空间是布劳恩多年来梦寐以求的理想。
早在1950年，国际航天联合会召开第二次会议上，虽然布劳恩不能作为正式代表出席，但美国火箭协会提出的唯一论文是由布劳恩撰写的，因他不能出席，则由别人代他宣读。这篇论文的题目是《空间探索——一项要求国际科学合作的任务》。论文中写道：
“参加合作的每一个协会或团体的最终目标是征服宇宙空间，这一目标是向我们时代的科学和技术提出的突出挑战。
航天旅行最有意义的使命是：将来有一天我们的卫星飞船绕着地球转，轨道站上的人可以看到，在布满繁星的无垠黑暗之中，我们的行星不过是许多星球中的一个，到了那一天，在我们居住的星球上将不再会发生自相残杀的战争。整个地球上的人都把目光转向太空，以热切的心情去从事新的冒险进入太空事业。那时候人类将准备进入漫长的、迄今只是地球历史的第二阶段——“宇宙时代”。
探索新领域的人所固有的那种勇敢精神，布劳恩也具有，但是这不是说一味地蛮干，他是忠实于他所接受的传统和科学训练，在所有尝试开始之前，他尽可能多作调查研究。
布劳恩的想法是立即着手设计建造巨大的载人火箭飞船，并试图把它发射入太空是绝对的愚蠢，这种尝试不会成功。而现在需要的是按部就班、稳步前进的研究方法，这是和把人送入太空的最终目的相适应的。要有一个研究计划，研究这个问题的所有方面，包括其军事应用和科学应用，比如，应该包括：对研制火箭动力装置所需的试验设备进行调查；推进剂的制造、装运和贮存所包含的后勤问题；制导和通讯设想；宇航员及其装备的教练设备和模拟器，甚至某些部件标准化的可能性。
布劳恩认为，进行宇宙旅行不应过多地依赖纯粹的军事研制，并且提出了一系列宇宙飞行计划的步骤：
第一，通过发展更大型的火箭发动机和使用高能推进剂改进火箭动力。
创造一种核动力的火箭发动机，利用在反应器中受热后喷射出来的工作流体作动力；第二，继续研究宇宙飞行中的人类宇宙医学问题，也就是人体所能承受和适应宇宙飞行的能力；第三，发射更多更好的探空火箭，这些火箭的飞行高度要远远超过V－2火箭目前所达到的普通高度，以便取得宇宙空间内更广泛的资料。
在具备了上述步骤之后，布劳恩主张先用动物进行试验，然后才能实现最终目标——永久性载人空间站。布劳恩设计的这种空间站是一个轮状的庞然大物，被称之为“针轮空间站”，直径达250英尺，由20个部分组成，用柔韧的尼龙和塑料纤维建造。在针轮空间站中，每一个部分都是一个独立的舱，折叠起来运到轨道上。经过装配，整个轮子像轮胎那样充气，在里面人可以自由呼吸。在这20个部分之间，有和潜艇上相似的安全分隔密封门。同时这个空间站还配有空气过滤转化装置，以便补充氧气，排放二氧化碳。
布劳恩还考虑到人在空间站中的失重情况，他为这种空间站设置了一台小型切线火箭发动机，安装在空间站边缘，使之旋转产生离心力以代替重力。
同时，这个庞然大物的动力系统取自于顶部的硅板，把太阳能转化为动力源——电能。
在针轮空间站的主外壳方面，布劳恩主张，用双端螺栓固定上一层缓冲壁或外壳；用来防范可能袭来的陨石撞击，并且在某些区域涂成黑色，利用黑色的吸热性能为针轮内部提供热力。此外，空间站还要有防辐射和可以关闭的密封窗。
布劳恩还具体地提出了巨大的轨道飞船的建造指标，这些都是必须经过缜密运算才能得出的详细数据资料。
