郭永怀回国以后，就身体力行倡导高超声速流动、电磁流体力学和爆炸力学等新兴领域的研究。他亲自参加力学所电磁流体组每周一次的学术讨论会；60年代初，他组织了北京地区高超声速讨论班；他一方面要求大爆破问题组人员踏踏实实地学一本书，一方面又鼓励大家深入实际。

在国内工作的12年期间，他把主要精力放在组织、领导国内的力学与国防科研上，并先后担任了中国科学院数学物理化学部学部委员、力学研究所副所长、二机部九院副院长、中国科学技术大学化学物理系主任、国防科委空气动力学专业组成员和空气动力学研究院筹备组副组长、中国航空学会副理事长等职。

▲郭永怀对学生倾囊相授

1956年，郭永怀参加了制订“国家科学技术发展十二年规划”，担任了力学专业副组长。他和力学界的其他专家一起审时度势，分析国际上力学研究的动向，并根据中国的国情，制订出学科近期发展规划与远期奋斗目标，确定高等学校力学专业的培养目标与课程设置，为中国随后若干年的发展方向确定方针大计。规划的实施使中国的力学研究从解放初期只有少量理论工作的状况发展到能够通过现场测试、大型实验、数值模拟和理论分析等多种手段进行重大项目研究的现代力学阶段。

以身殉国

▲1967年，王淦昌（左1）、彭桓武（左2）、郭永怀（左3）和邓稼先（右2）等在我国新疆核试验场区

1968年10月3日，郭永怀又一次来到试验基地，为中国第一颗导弹热核武器的发射以及从事试验前的准备工作。1968年12月4日，在青海基地整整呆了两个多月的郭永怀，在试验中发现了一个重要线索。他要急着赶回北京，就争分夺秒地要人抓紧联系飞机。他匆匆地从青海基地赶到兰州，在兰州换乘飞机的间隙里，他还认真地听取了课题组人员的情况汇报。当夜幕降临的时候，郭永怀拖疲惫的身体登上了赶赴北京的飞机。5日凌晨，飞机在首都机场徐徐降落。在离地面400多米的时候，飞机突然失去了平衡，坠毁在1公里以外的玉米地里。                           

当人们辩认出郭永怀的遗体时，他往常一直穿在身上的那件夹克服已烧焦了大半，和警卫员牟方东紧紧地拥抱在一起。当人们费力地将他俩分开时，才发现郭永怀的那只装有绝密资料的公文包安然无损地夹在他们胸前。

据国务院工作人员后来回忆，郭永怀飞机失事的消息第一时间传到国务院，总理周恩来失声痛哭，良久不语，随即下令彻查这一事故，并指示《人民日报》发布这一不幸的消息。此时郭永怀刚满59岁，22天后中国第一颗热核导弹试验获得成功，此前郭永怀这位以空气动力学研究驰名世界的科学家，为准备这次试验在青海整整呆了四十五个昼夜。

烈士风骨长存

1968年12月25日,中华人民共和国内务部授予郭永怀烈士称号，成为唯一获得“烈士”称号的科学家。1985年获国家科技进步奖特等奖。1999年被授予“两弹一星荣誉勋章”。