郭永怀在中国原子弹、氢弹的研制工作中领导和组织爆轰力学、高压物态方程、空气动力学、飞行力学、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，是唯一一位为中国核弹，氢弹和卫星实验工作均作出巨大贡献的科学家。
空气动力学
在读博士期间，郭永怀进行当时空气动力学的前沿问题——跨声速流下连续解的研究，并于1945年获得博士学位，1946年起在美国康奈尔大学任副教授、教授。
郭永怀在1946年至1956年间当时康奈尔大学航空研究院的三个主持人（即西尔斯、郭永怀、康脱洛维茨）之一。这10年也是郭永怀从事科学研究的黄金时期。他着重对跨声速理论与粘性流动进行了深入的研究，先后发表了《可压缩无旋亚声速和超声速混合型流动和上临界马赫数》（与钱学森合作）《关于中等雷诺数下不可压缩粘性流体绕平板的流动》《弱激波从沿平板的边界层的反射》等重要文章，解决了跨声速流动中的重大理论问题。与此同时，为了解决边界层的奇异性，他改进了庞加莱、莱特希尔的变形参数和变形坐标法，发展了奇异摄动理论。为此，钱学森于1955年在《AdvancesinAppliedMechanics》杂志上发表文章，将这一方法命名为PLK方法。值得一提的是，郭永怀在50年代初就注意到离超声速流动这一方向，研究了高超声速激波边界层干扰和离解效应。郭永怀因在空气动力学与应用数学中的研究成果而驰名世界。
人造卫星
郭永怀对于国防工业和科研的贡献是多方面的。从1957年11月4日，苏联发射第一颗人造卫星起，他就参加了中国科学院星际航行座谈会，大力倡导中国要发展航天事业，并就许多技术问题，如运载工具、推进剂、姿态控制、气动力、气动热等发表了许多重要见解和主张。在第四次座谈会上作了“宇宙飞船的回地问题”的中心发言，对气动减速、气动加热、烧蚀防热、回地轨道设计等问题进行了细致的分析，还提出了利用举力面的设想。随后，当研制人造卫星提到议事日程上时，郭永怀参加了负责卫星本体设计的人造卫星研究院的领导工作。
航天工程
郭永怀创办了《力学学报》和《力学译丛》，并亲任主编，翻译出版了《流体力学概论》等多部学术名著，先后开展了新兴的高超声速空气动力学、电磁流体力学等多项课题的研究，其成果不断引起国际科学界瞩目。在中科院组织的星际航行座谈会上，郭永怀提出中国要发展航天事业，并就运载工具、推进技术等问题发表了许多重要见解。不久，他当选为中国航空学会副理事长。
两弹事业
郭永怀认为应将再入物理现象的研究作为这个项目的理论研究方向，并明确提出建立高温物理所的主张，对实验设备的筹建工作他亦费尽心血；1967年，郭永怀参加了空气动力学研究院的筹建工作，担任了主管技术工作的副组长。他首先就空气动力学研究院的服务对象、研究手段、重点设备、测试方法等提出了建议，并和钱学森一起为该院规划了蓝图，为以后空气动力学研究发展中心的建设奠定了基础；为了发展中国的“两弹”事业，郭永怀更是呕心沥血，从理论到实践都作出了重要贡献，他多次赴现场参加准备工作。
中国开始研制核武器时，他负责动力项目研究。提出了“铁条包布”的设计思想，为核武器真正武器化做出贡献。郭永怀还负责指导反潜核武器的水中爆炸力学和水动力学等相关技术的研究工作。此外，在潜-地导弹、地对空导弹、氢氧火箭发动机和反导弹系统的研究试验中，他都作出了巨大贡献。在郭永怀的努力下， 1966年10月27日，中国第一颗装有核弹头的地地导弹飞行爆炸成功！1967年6月17日，中国第一颗氢弹空爆试验成功。
