Etter 1945 ble Braun rådgiver for det amerikanske rakettprogrammet. 1. mars 1947 giftet han seg med sin kusine, den 18-årige Maria von Quirstorp. De fikk sin første datter desember året etter. Braun arbeidet så som leder for Redstone-programmet i Huntsville, Alabama fra 1950. I 1960 ble han direktør for Marshall Space Flight Center i Alabama, og ledet utviklingen av Saturn V-rakettene; han anses dermed som månerakettenes far. Med den første månelandingen i 1969 gikk Brauns langvarige drøm i oppfyllelse. Fra 1970 til 1972 var han visedirektør i NASA. Etter at USAs kongress vedtok omfattende budsjettkutt for organisasjonen besluttet han å forlate den. Han ble så visepresident for Fairchild, et luft- og romfartskonsern.