尽管在异国他乡取得了荣誉和成就，但郭慕孙无时无刻不在牵挂着自己的祖国。回想当时的情景，他动情地说：“那时决定回来是很难的，走这一步要决定你后半生的全部，要么留在美国，要么回国，只能选择一条路。”

但是，强烈的报国心日日夜夜在激励着他要做自己想做的事，为祖国强大贡献自己的力量和智慧。他不忘远涉重洋求学的初衷，多方寻求回国的机会。由于朝鲜战争爆发，美国政府下令在美国学习科学技术并取得学位的华人禁止离境，他回国的计划被迫搁置。但他一直等待着美国政府可能放松政策的时机，做好各种回国的准备。

1956年8月，郭慕孙夫妇终于等到了期盼已久的回国机会，义无反顾辞去了美国碳氢研究公司的工作。为了回国能更好地进行科研，他们想方设法将有用的科研资料带回祖国。8月15日，他们带着儿女登上了驶往香港的“克里夫兰号”轮船，辗转回到了祖国的怀抱。同船回国的11人中还有陈家镛一家和杨嘉墀一家，他们三人后来都选择到中国科学院工作。郭慕孙一家先乘火车回上海探望了母亲和兄弟姐妹，11月抵达北京后被安排住在前门附近的永安饭店。

1956年郭慕孙一家回国途径夏威夷