Balchen ble utnevnt som æresmedlem i NITO i 1954 – den tredje i rekken til å få denne utnevnelsen. I 1976 ble han innvalgt som medlem av Det Kongelige Norske Videnskabers Selskab (DKNVS), og i 2006 ble han hedret med DKNVS' høyeste utmerkelse: Gunnerusmedaljen. I 1978 ble han medlem av Norges Tekniske Vitenskapsakademi, og i 2005 ble han æresmedlem av akademiet. I 1984 ble han tildelt IEEE Centennial Medal Award, I 1987 ble han utnevnt til æresdoktor, docteur honoris causa, ved Université de Liège, Belgia. Han ble tildelt NTNFs ærespris i 1990 Han ble utnevnt til kommandør av St. Olavs Orden i 1996. I 2000 ble han tildelt Rosingakademiets hederspris. I 2006 ble han Fellow of IFAC. I 2012 ble Balchen stemt frem av det norske folk til å prege ett av Norwegians fly som såkalt «halehelt».