1956年中国科学院力学所建所后，所长钱学森与副所长郭永怀这对师兄弟便联手提出了“上天、入地、下海”的办所方向，对研究所的学科规划与布局、项目筹划与组织、人才培养与教育等重大决策共同切磋。

不久后，钱学森在国防部五院的工作日渐繁重，每周只有一天能到力学所上班，尽管郭永怀也在二机部九院兼职，但他接受钱学森的委托，把力学所的业务领导工作全部承担下来。

在具体事务上，钱学森侧重宏观规划，郭永怀则亲自抓组织落实。无论是研究所的学科设置、研究方向确定，还是人员配备、实验室建设等具体工作，他都事无巨细，身体力行，负责筹划与组织落实。例如，爆炸力学室的建立、电磁李璐体力学工作的开拓、超高声速风洞的建设等等，都凝结了郭永怀的心血。

暴轰物理实验是突破原子弹技术的重要一环，为了取得满意的爆炸模型，郭永怀带领科研人员反复试验，甚至亲自跑到帐篷去搅拌炸药。在多次试验后，他提出了两路并进最后择优的方案，为第一颗原子弹爆炸确定了最佳方案，被应用于我国第一代武器研制工作。

学生俞鸿儒回忆，郭永怀第一次和研究生谈话时，严肃地对大家说，他回国的目的是报效祖国，为国家科学事业做铺路石，希望大家也要有这种思想准备。从这次谈话中，俞鸿儒意识到：郭永怀并不刻意要求学生成为飞黄腾达的“龙”，而是叮嘱大家做踏实干活的“牛”。

郭永怀自己谦虚低调，甘居幕后。1959年国庆节时，中国科学院院长郭沫若到力学所参观，对激波管工作十分满意。这时，郭永怀对钱学森说：“这是你的功劳，我只是帮你代管的。”