之邀返中国，郭永怀夫妇离美前，在赵元任家吃告别晚餐。胡适感叹说：“像郭永怀这样的人都要回国了，真是人心所向啊。”1956年10月回国后任中国科学院力学研究所研究员、副所长。1957年任中国力学学会副理事长，同年聘为中国科学院数学物理学化学部学部委员。他是中国大陆力学事业的奠基人之一，在力学、应用数学和航空事业方面有卓越贡献，是科技工作的领导人和组织实施者。1958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