1938年夏，郭永怀参加中英庚子赔款基金会留学委员会第七届留学生招生考试，与钱伟长、林家翘一起以5门课超过350分的相同分数同时被录取。

1940年9月，郭永怀进入加拿大多伦多大学应用数学系学习，仅用半年多时间就拿到了硕士学位。

1941年5月，郭永怀进入美国加州理工学院，师从航天工程学家冯·卡门学习。

1945年，郭永怀出色地完成了《跨声速流动不连续解》的毕业论文，获得博士学位，取得解决“声障”问题的重大理论突破。

1946年秋，冯·卡门的学生、郭永怀的大师兄西尔斯在美国康奈尔大学创办了航空研究院，特聘请郭永怀前去帮助，共同主持该研究院的创建工作。
康奈尔大学聘用郭永怀时，一入校，他就向校方表示：“我来贵校是暂时的，将来在适当的时候就要离开。”因此，他在填写事关未来去向的权限申请时，在是否申请接触机密资料的一栏中将“NO”毫不犹豫地填了下去。

      随着他的工作愈发的出色，劝他加入美国国籍的来信变得络绎不绝，而郭永怀却始终不为所动，一直践行着自己的初心。当听闻新中国即将成立的喜讯时，郭永怀十分兴奋。新中国成立前夕，很少参加社交活动的郭永怀罕见地变得积极起来，他怀着巨大的热情参与到“留美中国科学工作者协会”康奈尔分会的活动之中，不时地把社团中的那些活跃分子邀请到家中做客，祖国的命运和未来成了这帮漂泊海外的学子们热衷交流与探讨的核心话题。1949年10月1日，新中国成立了。回祖国探亲的妻子李佩给郭永怀带来关于祖国的信息，这令他激动不已。他，终于等来了报效祖国的时机。然而，当时笼罩在冷战阴影下晦暗不明的中美关系，却给郭永怀的回国之途打上了一个巨大的问号。李佩经常看到一些身份不明的人，在他们家的周围徘徊和偷窥，这引起了他俩极大的警惕。不久，一个号称美国移民局的人便携带着录音器登门“拜访”。这次特殊的“拜访”，给郭永怀和李佩的心中敲响了警钟，他们不得不思索更为完善的准备。
      1956年初夏，在康奈尔大学欢送郭永怀夫妇归国的野餐会上，郭永怀当着诸多师生的面，将自己十余年的研究成果付之一炬，在场众人无不感到震惊与惋惜。事后，李佩问他，你这样做回国了该怎么办？他却笑着表示，科学知识是装在脑子里的，这是属于我的，它们无法烧掉。我读过的书和报国之梦，他们拿不走的。
      1956年国庆节的前一天，郭永怀动身返回祖国。
      郭永怀携全家回国后受到了党和政府及科技界的热烈欢迎，毛主席和周总理亲自接见他和家人，中国科学院则安排他和钱学森一起工作，任中国科学院刚组建的力学研究所副所长，和钱学森、钱伟长一起投身于力学研究所的科技领导工作。
      1956年冬，我国制定12年科学技术发展远景规划，郭永怀担任科技规划力学专业组副组长。1957年2月，郭永怀在第一次全国力学学术报告会上做了《关于现代空气动力学的问题》的报告，指出了现代空气动力学发展的前沿领域和尚待解决的重大课题。1957年6月，郭永怀在《光明日报》上发表了题为“我为什么回到祖国—写给还留在美国的同学和朋友们”的署名文章，表达了自己的心声。
      1958年，郭永怀与钱学森等负责筹建中国科学技术大学力学和力学工程系、化学物理系，郭永怀出任化学物理系首任系主任。1960年5月，在钱学森的大力推荐下，郭永怀被任命为二机部九院（后更名为中国工程物理研究院）副院长，秘密地参加到我国核武器研制工作之中。1961年10月，在星际航行座谈会第四次会议上，郭永怀做了题为《宇宙飞船的回地问题》。1963年，为了加快核武器的研制步伐，郭永怀和核武器科研队伍的其他成员迁往青海核武器研制基地。

1968年12月5日，在北京首都机场，郭永怀留下生命中最后的一句话——“我的公文包！”，便被大火无情地吞噬了生命，给世人留下了无尽的遗憾与哀伤。庆幸的是，他用生命守护的资料得以保全，并在之后的试验中发挥了重要作用。

1968年12月25日，中央授予郭永怀烈士称号。两天后，中国第一颗热核导弹试验获得了成功！
科技救国、科技报国，是郭永怀一生守护的初心，终生不渝的志向。从青年求学，到中年报国，他用短暂一生，书写了为国奉献的不朽篇章，绽放出了绚烂的光彩。