1960年5月，郭永怀被调到九院担任副院长，负责力学和工程方面的领导工作。在原子弹的研制过程中，郭永怀对一些关键问题的解决，起了决定性的作用。如对原子弹引爆方式问题，他提出了“争取高的，准备低的”，以高级的“内爆法”为主攻研究方向。对此，炸药爆轰波的理论计算是一个难点，也是一个重要突破口。郭永怀提出利用特征线法进行尝试，并获得成功，很快得到应用。爆破物理试验，是突破原子弹技术的重要一环，郭永怀和王淦昌等科学家，经常深入试验现场，钻进帐篷，和试验人员一道搅拌炸药，亲自把关，指导实验，使试验得以顺利进行。到1962年，原子弹的关键技术取得了重大突破。翌年初，为了进行大型爆轰试验，为原子弹的爆炸试验作准备，年过半百的郭永怀，与九院试验人员一起转入西北核武器试验基地。该基地位于海拔3800多米的高原地区，气候变化无常，最低温度摄氏零下40多度。当时已年过半百的郭永怀和年轻的科研人员一起，克服了常人难以想象的困难，使原子弹的研制工作进行得很顺利，1964年第四季度，原子弹的理论、实验、设计和生产都按计划全部完成。同年10月16日15时，我国第一颗原子弹装置核爆炸试验成功。当时郭永怀亲临现场，亲眼目睹了原子弹爆炸这一壮观景象。这次试验尽管对我国政治、军事、科技等方面都产生了巨大的影响，但是还没有达到实战化或武器化的要求，在核弹武器化的后期发展工作中，郭永怀一直负责总体结构设计、外型设计以及环境模拟实验的领导工作。无论是在弹体外壳（我国的第一颗核航弹和氢弹都采取了空投方式）方面，还是在对核航弹、氢弹在空投过程中的飞行弹道、伞弹弹道特征的计算上，他都亲自参与和把关。

　　郭永怀在核武器的试制中充分发挥了他的才干。早在第一颗原子弹爆炸以前，他就预先进行了许多与武器化有关的结构设计、外型设计、飞行弹道、物理引信、环境试验和安全论证等课题研究。通过试验，郭永怀大胆地提出了有关薄壳结构、通用核航弹核武器轻型化、实战化和系列化的许多设想和建议，以后都得到证实并做了许多有益的工作。他对反潜核武器的水中爆炸力学、水洞试验以及潜???地导弹的研制和60年代力学研究所承担的小型地对空导弹及氢氧火箭发动机的研制任务都做出了重要贡献。特别是在原子弹原理、氢弹原理相继突破后，我国分别于1965年5月14日、1966年10月27日成功地进行了核航弹爆炸试验和导弹武器试验，这里都凝聚着郭永怀的心血。 　　

　　培养人才 　

　　郭永怀十分重视科技的总体发展和人才的培养。他具有深邃的科学思想和战略眼光，他关心的不只是一两个学科的发展，而是我国科学技术的总体发展。重视学科间的联系与渗透，强调开创性研究；重视科学基础理论研究，强调理论与实践相结合；重视科学技术研究的目的性，强调科研要为国民经济与国防建设服务，从工程实践中选课题；他认为科学技术的发展，不是一朝一夕的事情，必须重视培养新生的科研力量，造就一批科研生力军。郭永怀始终把自己作为一颗石子，常说，我回国就是给国家培养人才，为国内的科技事业打基础，做铺路人。尽管教育不是郭永怀的主要工作，但他还是在力所能及的情况下，以各种方式培养了大批骨干人才。1956年我国恢复建立研究生制度，郭永怀积极筹划力学所的研究生培养工作。在第一次招生中，他亲自带了五名研究生。由于郭永怀的严格要求和具体指导，这些同志很快成长起来。现在他们当中，有许多已经成为知名的专家学者。

　　1957年，力学研究所和清华大学合办了工程力学研究班。第一届参加力学班的就有120多人，郭永怀担任了班主任，除了负责班务工作外，还亲自讲授《流体力学概论》。他强调理论联系实际，强调“言教，身教，以身教为主”。他从不以权威自居，而是认真发扬学术民主，对助手和研究生的指导是启发式的，使他们的理论水平和实验操作技能同时得到提高。力学研究班后来又办了两届。郭永怀虽然不再担任班主任，但仍十分关心研究班的教学和学员的学习。这三届力学研究班共毕业学生290多人，现在这些人分布在全国各地，特别是在国防科研单位和重点高等院校都起着顶梁柱作用。 　　

　　英名永存

　　郭永怀回国12年，贡献之多，令人惊叹。为了保护像他这样的科学家的安全，周恩来总理还特地叮嘱不让乘飞机。但为了抢时间，郭永怀经常强行登机。当时国内航线大都是中、小型客机，乘飞机远不如坐火车软席舒适。许多人劝他不要乘飞机，他却说：“我是搞航空的，搞航空的人都不坐飞机，那让谁来坐。”

　　1968年10月，郭永怀赴西北核基地，进行我国第一颗导弹热核武器发射试验的准备工作，他在试验中发现了一个重要线索，急着要赶回北京。由于时间紧迫，他坚持夜航。12月5日，郭永怀从兰州乘飞机回京，就在他上飞机时，大家还劝他换个时间，郭永怀却平静地说：“夜航打个盹就到了，第二天可以照常工作。”当飞机在首都机场着陆时，发生事故，郭永怀不幸以身殉职，终年59岁。12月25日，中华人民共和国内务部授予郭永怀烈士称号。