郭永怀（1909年4月4日－1968年12月5日），山东荣成人，中国流体力学家。1999年颁发两弹一星功勋奖章受勋23位科学家之一，主导两弹一星之中原子弹的力学研究。
本科为北京大学物理系转学生，考获庚子赔款出国，最终加州理工学院博士，师从空气动力学权威西奥多·冯·卡门，读博认识同门师兄钱学森。1946年另一同门师兄William R. Sears在康乃尔大学创航天工程研究生院，郭永怀为创院教员，后升任教授。1956年返国，1958年中国科学技术大学创校时郭永怀为化学物理系创系系主任。1960年经钱学森力荐，任第二机械工业部第九研究所副所长，主导原子弹的力学研究。1968年坠机亡，死前与护卫紧抱刚获得的氢弹实验数据。
1909年4月4日出生于山东省荣成县。1930年，郭永怀入南开大学预科二年乙组读书，次年8月升入南开大学理科，决心攻读物理学。南开大学当时没有物理系，他打听到电机系有一位物理学教授叫顾静徽，就投到她的门下，成了她唯一的物理专业的学生。顾非常赏识这位好学不倦的学生，为他单独开课。曾在南开大学任教的饶毓泰归国后到北京大学任教，郭永怀仰慕饶毓泰，顾静徽推荐他转学北京大学。1933年，郭永怀通过北京大学入学考试，考入北京大学物理系，1935年毕业。1939年考取中英庚子赔款出国留学名额，1940年赴加拿大多伦多大学应用数学系学习，半年后获硕士学位。1941年到美国加州理工学院师从空气动力学权威西奥多·冯·卡门教授研究可压缩流体力学，1945年获博士学位后留任研究员。1946年起在美国康乃尔大学任副教授、教授。
郭永怀在跨声速流领域和奇异摄动论方面有重要贡献；与钱学森共同发表的论文《可压缩流体二维无旋亚声速和超声速混合型流动及上临界马赫数》提出“上临界马赫数”的概念。郭永怀还发表了《跨声速流的稳定性》、《可压缩流体二维无旋跨声速流动》、《绕翼型的二维跨声速流》、《论二元光滑跨声速流的稳定性1》等跨音速研究论文。郭永怀还发展了奇异摄动法，即PLK方法（庞加莱－莱特希尔－郭永怀方法）。
中国抗日战争胜利后，胡适任北大校长，积极发展北大工科。饶毓泰向胡适推荐正在美国任教的郭永怀、朱兰成、马大猷等青年才俊，同时提议由钱学森担任应用力学系主任。后因钱学森暂时无法离美而未果。新中国成立后，受钱学森之邀返中国，郭永怀夫妇离美前，在赵元任家吃告别晚餐。胡适感叹说：“像郭永怀这样的人都要回国了，真是人心所向啊。”1956年10月回国后任中国科学院力学研究所研究员、副所长。1957年任中国力学学会副理事长，同年聘为中国科学院数学物理学化学部学部委员。他是中国大陆力学事业的奠基人之一，在力学、应用数学和航空事业方面有卓越贡献，是科技工作的领导人和组织实施者。1958年，中国科学技术大学创建了化学物理系，郭永怀担任首任系主任、教授。
1960年5月调任第二机械工业部北京第九研究所（1964年2月改为第九研究院）副所长、副院长。在中国原子弹、氢弹的研制工作中，经钱学森推荐，领导和组织了爆炸力学、高压物态方程、空气动力学、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。
1968年12月5日，郭永怀从青海省执行任务返回北京时，乘坐的伊尔-14型640号飞机在飞至北京上空约400米高度时突然因发动机故障而在首都机场跑道南端1209米处坠毁:288。郭和同机警卫当场丧生。在清理飞机遗骸时，人们发现郭永怀和他的警卫牟方东紧抱在一起，两人身体之间紧夹着刚刚获得的氢弹试验数据。他们二人的骨灰埋藏于中国科学院力学研究所中郭永怀的塑像下。1999年被授予“两弹一星功勋奖章”，是该群体中唯一一位获得“烈士”称号的科学家。
1982年12月，科学出版社出版了《郭永怀文集》。1985年，郭永怀补授予一项国家科学技术进步奖特等奖。1999年，郭永怀被追授予研制“两弹一星”有突出贡献的科技专家，并荣获两弹一星功勋奖章。2003年9月18日中国科学技术大学创办45周年之际，郭永怀的遗孀李佩 将这枚勋章捐赠中国科学技术大学。
2018年7月，国际小行星中心正式发布公告，编号为212796号的小行星被永久命名为“郭永怀星”，编号为212797号的小行星被永久命名为“李佩星”。
