不幸遇难，誓死保护珍贵资料
1968年10月，郭永怀再次来到青海试验基地，进行中国第一颗热核弹头发射试验前的准备工作。12月4日下午，郭永怀发现了一份非常重要的数据线索，决定立即赶回北京，加以详查。为了安全起见，周恩来总理亲自叮嘱郭永怀等几位科学家，尽量不要乘坐飞机，但当时正处在试验的关键时期，郭永怀为了赶时间，仍决定乘坐当晚兰州民航的一架飞机直飞北京。临行前大家都劝他晚间飞行不安全，郭永怀却笑着说：“飞机快，我只要打一个盹就到了，第二天早上刚好汇报工作……”郭永怀的挚友彭桓武、王淦昌也劝他：“飞机太小，你还是坐火车吧！”他却说：“我搞了一辈子航空，还怕坐飞机！”没料想，这句话竟成了谶语。
意外的事情还是发生了。第二天早上，当飞机飞临北京机场，距地面约400米时，突然失去平衡，一头扎向1公里外的玉米地，腾起一团火球，机上十几个人，只有一人幸免于难。据这位幸存者回忆，在飞机开始剧烈晃动的时候，他只听到郭永怀大喊：“我的文件！”后来的事情就再也记不得了。后来，搜救人员在烧焦的尸体中发现了两个紧紧抱在一起的人，当人们费力地把他们分开时，才发现两具尸体的胸部中间，紧紧抱着的正是一份完好无损的热核导弹试验数据文件。凭借残存的几缕花白的头发，人们认出这两个人就是郭永怀和他的警卫员牟方东。郭永怀在生命的最后关头，用自己的身体保护了国家珍贵的绝密资料！
当时，在中南海日理万机的周恩来总理闻讯后眼眶顿时湿润了。郭永怀的亲密好友钱学森百倍伤感，连声叹息：“一个全世界知名的优秀力学专家离开了人世！”而当年年底，祖国大西北一项核试验成功的轰然巨响，仿佛是为他送行的礼炮声……
1968年12月25日，中华人民共和国内务部授予郭永怀烈士称号。1982年12月由科学出版社出版了《郭永怀文集》；1985年补授郭永怀等一项国家科学技术进步奖特等奖；1999年国庆50周年前夕，中共中央、国务院、中央军委授予23位科技工作者用515克纯金制成的“两弹一星”功勋奖章，其中郭永怀是唯一以烈士身份被追授此勋章的学者。
如今，在郭永怀工作过的中国科学院力学研究所大院里矗立着他的汉白玉半身塑像；在他参与筹建的中国空气动力中心大院的松林山上建有一座纪念亭，上面刻着张爱萍将军所书的三个大字“永怀亭”。
