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）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