1920年6月24日,出生于湖北汉阳一个知识分子家庭,8岁开始就读于杭州明敏小学。
1930年,随家迁入上海,转入上海协进小学。
1933年,进入上海圣约翰青年会初中,继而进上海圣约翰大学附属高中。
1939年,考入上海沪江大学化学系,在校期间被选为英文校报编辑。
1943年,大学毕业后,相继在上海汉堡化学厂和生化药厂任化学师。
赴美留学
1945年5月,赴美国普林斯顿大学研究生院进修化工。
1946年10月,在美国普林斯顿大学化工系获硕士学位,硕士期间在R・威廉教授指导下进行流态化研究,共同撰文《固体颗粒的流态化》,发表于1948年美国《化工进展》。这篇论文对液-固和气-固体系进行了共同关联,指出两体系截然不同的行为,命名为"散式"和"聚式",并列出了大量实验数据。
1946年10月,在美国碳氢研究公司任工程师,从事煤的气化等研究。
1948年1月,为了回国工作,接受了美国可口可乐公司的聘任,前后被派任中国和印度锡兰区工程师,在新德里建造了印度第一个可口可乐工厂,后来又任纽约总部实验室负责人。
1952年5月,返回美国碳氢研究公司继续进行煤的气化、气体净化、气体炼铁和低压空气分离等研究。
毅然回国
1956年,郭慕孙在碳氢研究公司从事的项目刚进入中间试验之际,毅然放弃了在美国优越的工作和生活条件,8月通过外交途径偕妻带子,回到中国大陆[5] 。同年10月,协助叶渚沛所长筹建化工冶金研究所,建立了中国最早的流态化研究室,任室主任、研究员。
1959年,应邀参加了在中国人民大会堂举行的全国文教群英会,被授予先进工作者称号[7] 。
1972年,化工冶金研究所恢复了原有的方向和任务,郭慕孙与同事们继续开展流态化研究,遵循他所提出的"无气泡气固接触"的理论,开辟了快速床、浅层流态化床等的研究,并为创立后期的多相化学反应开放实验室打下基础 。
文革以后
1978年,任中国科学院化工冶金研究所(现更名为中国科学院过程工程研究所)负责人、代所长、所长。
1980年,当选为中国科学院学部委员(院士),同年获中华全国总工会授予全国劳动模范光荣称号。
1982年,参与发起,并在北京组织召开了中美化学工程学术会议。
1985年,郭慕孙组织了颗粒形态与表征的研究,得到国家自然科学基金会的支持。
1986年,组建了中国颗粒学会并任首届理事长。1986年作为访问教授赴美国弗吉尼亚理工大学,同年起任化工冶金研究所名誉所长,为化工冶金研究所创立了多相化学反应工程、颗粒学及生物化工等领域的研究。
1987年,组织在北京召开了亚太地区金属提取过程中化学反应工程学术会议。
1988年,牵头在中国北京召开了中、日、美三国颗粒学技术学术会议。
1989年,作为访问教授赴美国俄亥俄州立大学。
1997年,被聘为瑞士工程科学院外籍院士。
2003年起,任《中国颗粒学报》("China PARTICUOLOGY")的主编。