錢學森當時雖然非常痛恨美國政府對他的迫害，但是懷念美國加州理工學院的學術民主空氣。

戴汝為在錢學森身邊工作了幾年，錢學森并沒有把他留在力學研究所，而是建議他去自動化研究所。在錢學森看來，戴汝為把《工程控制論》譯成中文，而且對工程控制論做了許多研究，更適合從事自動化研究。

這樣，戴汝為離開恩師錢學森，到中國科學院自動化研究所從事研究工作。在20世紀60年代，戴汝為解決了用極大值原理解最速控制、終值控制的數(shù)值計算問題。在70年代，戴汝為最早在國內(nèi)開展模式識別研究，完成了信函分揀中的手寫數(shù)字識別系統(tǒng)。

1979年8月，美國普渡大學的模式識別領域?qū)＜摇⒚兰A人傅京孫教授應中國科學院等單位邀請，到中國進行模式識別方面的講學，與戴汝為相識。1980年至1982年，戴汝為在美國普渡大學電機系做訪問學者。戴汝為與傅京孫合作，提出了“語義句法模式識別技術”，提出了語義、句法方法。這一成果獲中國科學院1986年科技進步獎二等獎，錢學森評價說：“我深感戴汝為同志是我國模式識別方面的權威之一，學術造詣深?！?/p>

從美國回來之后，戴汝為通過通信經(jīng)常向錢學森請教，彼此就學術問題交換意見。戴汝為說，錢學森寫給他的信，有200多封。

戴汝為在20世紀80年代中期開展了人工神經(jīng)網(wǎng)絡在知識工程中應用的研究；90年代初，進行智能控制及手寫漢字識別的工作。他還通過知識系統(tǒng)及人工智能的途徑，跨入對開放的復雜系統(tǒng)及其方法論的研究。

錢學森不僅是中國力學的學科帶頭人，他作為工程控制論的創(chuàng)始者，也是中國自動化學科帶頭人。1957年，中國自動化學會籌備委員會成立，在錢學森倡導下開展工作。1961年中國自動化學會在天津正式成立，錢學森當選為第一、二屆理事長。此后，第三屆理事長為宋健院士，第四屆理事長為胡啟恒院士，第五屆理事長為胡啟恒院士、楊嘉墀院士，第六屆理事長為楊嘉墀院士、陳翰馥院士，戴汝為擔任第七屆、第八屆、第九屆理事長至今。

經(jīng)錢學森親自推薦，1991年戴汝為當選中國科學院院士。1993年至1998年戴汝為任中科院技術科學部副主任。