1909年4月4日，郭永懷出生在山東容城滕家鎮西灘郭家村。10歲時，進入本家叔叔辦的學堂讀書，17歲以優異成績考入青島大學附中，成為十里八村第一個公費中學生。
1929年9月（20歲），郭永懷考入南開大學理科預科班。
（左一郭永懷）
1931年（22歲），郭永懷升入本科，一心想攻讀物理專業，但當時南開大學沒有物理系。他聽説電機系有一位物理教授顧靜薇，便報了電機系。他找到顧靜薇教授，成為了南開唯一的物理專業學生。
1933年（24歲），顧靜薇推薦郭永懷轉校到北京大學，投入物理系饒毓泰教授門下學習。饒毓泰是中國現代物理學研究的先驅，郭永懷打下了紮實的物理學專業基礎。
（饒毓泰：中國近代物理學奠基人之一）
1937年（28歲），盧溝橋事變後，抗日戰爭全面爆發，北京大學被迫停課南遷到昆明，成立了西南聯合大學。當時山河破碎，日軍不斷飛機轟炸，屍橫遍野，郭永懷痛感中國航空工業的落後，決心學習航空工程技術。1938年3月，郭永懷開始學習流體力學。
1938年夏，郭永懷參加了中英庚款留學生考試，其中力學專業僅招收一人。郭永懷與錢偉長、林家翹三人，都獲得了總分均超過350分的高分，最終一起被破格錄取。
1940年1月，由於英德之間激戰正酣，郭永懷只能前往英聯邦國家學習。
8個月後，郭永懷進入加拿大多倫多大學應用數學系，僅用半年時間就拿下了碩士學位。數學系主任感慨無限：“想不到中國有這樣出色的人才，是我一生中很少遇到的優秀青年學者。”
（右一郭永懷）
1941年（32歲），郭永懷進入美國加州理工學院學習，師從素有“航空之父”的流體力學大師西奧多·馮·卡門教授，研究可壓縮流體力學。在這裏，他遇到了影響他一生的知己——師兄錢學森。
郭永懷開始研究“跨聲速流不連續解”的研究，這時當時空氣動力學領域最前沿的課題。1945年（36歲），郭永懷拿到了博士學位。
（錢學森與郭永懷）
1946年（37歲），郭永懷進入康奈爾大學，參與創辦航空研究院。
為解決超聲速飛行普遍面臨的“聲障”難題，郭永懷與錢學森合作，首次提出“上臨界馬赫數”概念，並用實驗證實，為解決了跨聲速飛行問題奠定理論基礎。這項成功大大促進了超聲速飛行器的設計。
（第3排左2為郭永懷，第1排左3為錢學森，第1排右4為馮·卡門）
（康奈爾大學航空研究院五虎將）
在康奈爾大學的十年裏，郭永懷成為了世界馳名的力學專家。但他心中有一個念頭從未打消過，那就是回到祖國。郭永懷説，“家貧國窮，只能説明當兒子的無能。我自認是一箇中國人，有責任回去和大家一起建設祖國。”
1948年（39歲），郭永懷與31歲的留學生李佩，結為夫妻。郭永懷在在學界享有崇高聲譽，由市長親自為他們主持了婚禮。
（郭永懷夫婦）
1949年（40歲），新中國成立後，郭永懷回國的想法越發強烈，但美國卻始終拒絕放人。
1955年（46歲），中美達成僑民可自由回國的協議，被美國政府扣留的錢學森終於回國。郭永懷再也抑制不住自己的衝動，也想要回到母親的懷抱。
1956年（47歲），在康奈爾大學同事們送別野餐會上，郭永懷做了一個瘋狂決定，他把自己尚未發表的論文手稿全部扔進了炭火堆，毅然決然回國。回國後，他擔任中國力學研究中心常務副所長，所長為錢學森。
1958年（49歲），郭永懷參與創辦中國科學技術大學化學物理系，擔任系主任。
1959年6月，原子彈研究正如火如荼，蘇聯突然撤走所有技術和專家，拒絕繼續提供原子彈的數學模型和技術資料，使得研究陷入了困境。
錢學森力排眾議，向錢三強推薦了並沒有從事過原子能工作的郭永懷。在和錢三強密談了幾個小時之後，郭永懷狠下決心，接下了自主研發原子彈的力學保障工作。
1960年，郭永懷與王淦昌（實驗物理學家）、彭桓武（理論物理學家）被任命為第二機械工業部第九研究所副所長，組成核武器研究最初的三大支柱。
（郭永懷一家）
1963年（54歲），郭永懷與科研團隊秘密遷往青海核武器研製基地。基地位於海拔3800多米的高原地區，氣侯變化無常，冬季最低氣温零下40度。試驗現場荒涼的寸草不生，缺氧和物質匱乏，郭永懷瞬間變得蒼老，滿頭白髮。
爆轟物理實驗，是突破原子彈技術的重要一環。為了取得滿意爆炸模型，郭永懷在多次試驗後，提出兩路並進最後擇優的辦法，為第一顆原子彈爆炸確定了最佳方案。
1964年10月16日，中國第一顆原子彈爆炸成功。
（周總理和彭恆武、郭永懷）
（原子彈爆炸）
隨後，郭永懷領導和參與中國第一顆人造地球衞星“東方紅一號”的研製。他提出了“鐵條包布”的設計思想，為核武器真正武器化做出貢獻。
1966年10月27日，中國第一顆裝有核彈頭的地地導彈飛行爆炸成功！
原子彈研製成功後，郭永懷馬上又投入到氫彈的研究之中。1967年6月17日，中國成功試爆第一枚氫彈。
1968年12月4日，郭永懷在試驗中發現了一個重要線索。他着急把數據帶回北京，就連夜坐飛機飛回北京。結果飛機在北京上空約400米處，突然因發動機故障，在首都機場跑道墜毀。郭永懷當場死亡，享年59歲。
在清理飛機遺骸時，人們發現郭永懷和警衞牟方東緊緊抱在一起。把他倆分開後，猛然發現兩人身體之間緊夾着剛剛獲得的氫彈試驗數據！
郭永懷用生命守護的絕密資料，幫助中國第一顆熱核導彈試驗獲得成功。
1970年4月24日，我國第一顆人造地球衞星“東方紅一號”成功發射。這標誌着中國成為繼蘇聯、美國、法國、日本之後，世界上第五個用自制火箭發射國產衞星的國家。
1999年，郭永懷被授予“兩彈一星功勳獎章”，是兩彈一星元勳中唯一的“烈士”。錢學森曾説：“有郭永懷，可以抵10個師”。
2018年7月，國際小行星中心正式發佈公告，編號為212796號的小行星被永久命名為“郭永懷星”，編號為212797號的小行星被永久命名為“李佩星”。
