1968年10月3日，郭永怀又一次从北京回到试验基地，为我国第一颗导弹热核武器的发射进行试验前的准备工作。可谁也没有想到，这竟是他最后一次来到倾注了4年心血的试验基地。
12月4日，在研制基地整整呆了两个多月的郭永怀在试验中发现了一个重要线索。为此，他急于赶回北京，于是他让人抓紧时间联系飞机。就在郭永怀从研制基地赶到兰州，在兰州换乘飞机的间隙里，他还认真地听取了课题组人员的情况汇报。当夜幕降临的时候，郭永怀拖着疲惫的身体登上了飞往北京的飞机。
12月5日凌晨，飞机在首都机场上空徐徐下降，在离地面400多米的时候，飞机突然失去平衡，偏离了降落的跑道，歪歪斜斜地向1公里以外的玉米地一头扎了下去。
只听“轰”的一声巨响，飞机前舱碎裂，紧接着，火焰冲天而起……机场的人员都被眼前的一幕惊呆了，当人们从这突如其来的变故中清醒过来的时候，急忙向出事现场飞奔过去。
当来接郭永怀的人从一片残骸中辨认出郭永怀的遗体时，看到他往常穿的那件夹克已经烧焦了大半，他和警卫员牟方东紧紧地拥抱在一起。当人们费力地将他俩分开时，才发现郭永怀的那只装有绝密资料的公文包安然无损地夹在了他们胸前。
人们可以想象到，在飞机遇险，机上所用人面临生命即将结束的最后瞬间，郭永怀想到的是用身体来保护对国家有重要价值的绝密科技资料！
见此情景，前来接应的士兵当场跪地痛哭，在场的人无悲痛难抑，失声而泣。钱学森更是伤感不已地叹息：“一个全世界知名的优秀力学专家离开了人世。”此时郭永怀刚满59岁。
在郭永怀牺牲的第22天，我国第一颗热核导弹试验获得成功。一颗腾空而起的巨大蘑菇云在荒漠中向世界发出隆隆巨响，仿佛在祭奠他的在天之灵。
在他牺牲不到两年，1970年4月24日，我国第一颗人造卫星发射成功。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。1999年，他被追授“两弹一星”功勋奖章，是唯一以烈士身份被追授“两弹一星”功勋奖章的科学家。