Цянь Сюэсэнь родился 11 декабря 1911 г. в Ханчжоу, столице провинции Чжэцян. Семья Цянь ведет свою историю от Цянь Лю, основавшего в 907 г. царство У Юэ; Сюэсэнь был его потомком в 33-м поколении. Его отец Цянь Цзюньфу (1880–1969) – известный китайский педагог, получивший образование на родине и в Японии, автор учебников по логике, землеведению, географии и истории зарубежных стран, сторонник революционных идей Сунь Ятсена – был в это время директором средней школы №1 провинции Чжэцзян. Мать Чжан Ланьцзюань происходила из зажиточной семьи и получила хорошее образование; она любила математику и занималась вышивкой.

Семья жила в доме по адресу Фангуюань, №2. Чжан умело вела дом и воспитывала маленького Цяня – единственного ребенка в семье. Первый иероглиф его имени «сюэ» означал «учиться», и каждый день мать давала сыну задания, чтобы развить навык к учению. Сюэсэнь имел прекрасную память: к трем годам он уже помнил наизусть около сотни стихов и классических произведений. Он быстро освоил устный счет и всегда удивлял соседей своими способностями. Юный Цянь слушался родителей, всегда относился к ним с уважением и не терял самообладания в их присутствии.

Когда мальчику было три года, семья переехала в столицу: его отец получил назначение в Министерство образования в Пекине. Родители намеревались дать сыну самое лучшее образование. В 1918 г. Сюэсэнь был принят во 2-ю пекинскую экспериментальную начальную школу для одаренных детей, в 1921 г. переведен в 1-ю школу младшей ступени, а в 1923–1929 гг. учился в средней школе при Пекинском высшем педагогическом училище. Учитель химии Ван Хэцин привил ему интерес к науке и позволил свободно пользоваться химической лабораторией; с Дун Жуанем, учителем китайской словесности, они часто беседовали на политические темы.

Чтобы лучше представить себе эпоху молодого Цянь Сюэсэня, нужно вспомнить, что за два месяца до его рождения, 10 октября 1911 г., восстанием в Учане началась Синьхайская революция, а через два месяца, 12 февраля 1912 г., вдовствующая императрица Лунъюй подписала отречение от престола малолетнего императора Сюаньтуна (Пу И). Империю сменила Китайская республика, но страна утратила единство: уже через несколько лет власть перешла к губернаторам провинций и милитаристским кликам, постоянно воевавшим между собой.

Пекин контролировало так называемое Бэйянское правительство; за период с 1916 по 1928 г. в северной столице сменилось семь президентов, два императора и 25 кабинетов. В декабре 1915 г. президент Юань Шикай объявил себя императором, но уже в марте 1916 г. был вынужден отречься и вскоре умер. В июне 1917 г. город занял генерал Чжан Сюнь, провозгласивший во второй раз императором Пу И, но эта «империя» продержалась всего 11 дней. Летом 1920 г. аньхойская клика была изгнана из Пекина чжилийцами во главе с Цао Кунем и У Пэйфу.

В октябре 1923 г. генерал Фэн Юйсян поднял мятеж и установил временное правительство Дуань Цижуя. 18 марта 1926 г. в Пекине была жестоко подавлена антияпонская демонстрация, после чего армия Фэна вновь вошла в столицу и свергла Дуаня. Еще через несколько недель Пекин взяли войска Чжан Цзолиня и У Пэйфу, подвергнув город неслыханному грабежу и насилию.

Тем временем на юге Китая, в Гуанчжоу, в 1923 г. был создан первый единый фронт Гоминьдана и Компартии Китая. В апреле 1927 г. лидер Гоминьдана Чан Кайши разорвал отношения с коммунистами, что стало началом гражданской войны. Тем не менее Северный поход Гоминьдана проходил успешно; 9 июня 1928 г. союзные чанкайшистам войска заняли Пекин, и к концу года раскол Китая на север и юг был в основном преодолен.

Блестяще выдержав в 1929 г. вступительные экзамены (396 баллов, третий результат), Цянь Сюэсэнь поступил на факультет инженерной механики Шанхайского университета Цзяотун. Он был серьезным и пунктуальным студентом со склонностью к самостоятельной работе; единственным увлечением Цяня была игра на скрипке и на духовых инструментах. Чтобы послушать концерт, Цянь мог экономить на еде и одежде. Музыка давала ему утешение и приносила ему счастье.

Из-за тифа, который едва не унес его в могилу осенью 1930 г., он пропустил год, в течение которого ознакомился с марксистской литературой и контактировал с членами местной коммунистической ячейки. Тяга к знаниям, однако, перевесила интерес к политике. Ни оккупация Маньчжурии Японией летом 1931 г., ни студенческие протесты в Шанхае, ни бомбардировка города японским флотом 28 января 1932 г. и пять недель уличных боев не помешали Цяню получить в июне 1934 г. диплом инженера по специальности «железнодорожная механика». Его итоговая оценка была 89.1 балла из 100 возможных.

В августе 1934 г. Цянь прибыл в столичный Нанкинский центральный университет, чтобы участвовать в конкурсе для дальнейшего обучения в Соединенных Штатах, и в октябре стал одним из 20 выпускников китайских вузов, получивших грант пекинского Университета Цинхуа на обучение в США.

В течение года Цянь готовился к командировке в США под руководством профессора Ван Шичжо, который как раз в это время строил первую в Китае аэродинамическую трубу, и проходил практику на авиабазе Цзяньцяо в Ханчжоу и на Наньчанском авиаремонтном заводе. Профессор Ван был выпускником Массачусеттского технологического института, и неудивительно, что именно туда и был направлен Цянь Сюэсэнь для специализации в области аэродинамики.

В августе 1935 г. группа Цянь Сюэсеня отправилась из Шанхая в Сиэттл на пароходе «Президент Джексон». Год спустя он защитил магистерскую диссертацию на факультете авиационного проектирования Массачусеттского технологического университета (MIT), но там больше требовались навыки экспериментатора, чем математика и исследователя. Цянь решил перевестись в Калифорнийский технологический институт (CIT) и в октябре 1936 г. был принят в докторантуру. Вся его дальнейшая американская жизнь проходила между Бостоном и Пасаденой, между MIT’ом и CIT’ом.

В ходе начавшейся в США в 1950-х «охоты на ведьм» Цяня Сюэсэня обвинили в пособничестве коммунистам, и он был отстранён от секретных работ по ракетной тематике и фактически посажен под домашний арест. Цянь объявил о своём намерении вернуться в Китай, и 17 сентября 1955 года он отправился на родину. В Китае он возглавил китайскую космическую программу и стал известен как «отец китайской космонавтики». Подготовил плеяду китайских учёных, обеспечивших значительные успехи Китая в освоении космического пространства.

В честь него назван астероид 3763 Цяньсюэсэнь, открытый 14 октября 1980 г. в обсерватории Цзыцзиньшань.

Ушел из жизни 31 октября 2009 года.