钱学森当时虽然非常痛恨美国政府对他的迫害，但是怀念美国加州理工学院的学术民主空气。

戴汝为在钱学森身边工作了几年，钱学森并没有把他留在力学研究所，而是建议他去自动化研究所。在钱学森看来，戴汝为把《工程控制论》译成中文，而且对工程控制论做了许多研究，更适合从事自动化研究。

这样，戴汝为离开恩师钱学森，到中国科学院自动化研究所从事研究工作。在20世纪60年代，戴汝为解决了用极大值原理解最速控制、终值控制的数值计算问题。在70年代，戴汝为最早在国内开展模式识别研究，完成了信函分拣中的手写数字识别系统。

1979年8月，美国普渡大学的模式识别领域专家、美籍华人傅京孙教授应中国科学院等单位邀请，到中国进行模式识别方面的讲学，与戴汝为相识。1980年至1982年，戴汝为在美国普渡大学电机系做访问学者。戴汝为与傅京孙合作，提出了“语义句法模式识别技术”，提出了语义、句法方法。这一成果获中国科学院1986年科技进步奖二等奖，钱学森评价说：“我深感戴汝为同志是我国模式识别方面的权威之一，学术造诣深。”

从美国回来之后，戴汝为通过通信经常向钱学森请教，彼此就学术问题交换意见。戴汝为说，钱学森写给他的信，有200多封。

戴汝为在20世纪80年代中期开展了人工神经网络在知识工程中应用的研究；90年代初，进行智能控制及手写汉字识别的工作。他还通过知识系统及人工智能的途径，跨入对开放的复杂系统及其方法论的研究。

钱学森不仅是中国力学的学科带头人，他作为工程控制论的创始者，也是中国自动化学科带头人。1957年，中国自动化学会筹备委员会成立，在钱学森倡导下开展工作。1961年中国自动化学会在天津正式成立，钱学森当选为第一、二届理事长。此后，第三届理事长为宋健院士，第四届理事长为胡启恒院士，第五届理事长为胡启恒院士、杨嘉墀院士，第六届理事长为杨嘉墀院士、陈翰馥院士，戴汝为担任第七届、第八届、第九届理事长至今。

经钱学森亲自推荐，1991年戴汝为当选中国科学院院士。1993年至1998年戴汝为任中科院技术科学部副主任。