58年，中国科学技术大学创建了化学物理系，郭永怀担任首任系主任、教授。1960年5月调任第二机械工业部北京第九研究所（1964年2月改为第九研究院）副所长、副院长。在中国原子弹、氢弹的研制工作中，经钱学森推荐，领导和组织了爆炸力学、高压物态方程、空气动力学、结构力学和武器环境实验科学等研究工作，解决了一系列重大问题。1968年12月5日，郭永怀从青海省执行任务返回北京时，乘坐的伊尔-14型640号飞机在飞至北京上空约400米高度时突然因发动机故障而在首都机场跑道南端1209米处坠毁。郭和同机警卫当场