“文革”风暴一来，刘允斌就首当其冲，成为批斗的对象。因为他在厂里是领导干部、技术权威，又是苏联培养出来的“修”字号人物。

　　202厂是个保密单位，又地处边陲，中央三令五申军工厂不准串连，不准乱。当时刘少奇还在台上，一些心怀不轨的人还不敢明目张胆地批斗刘允斌。但自毛泽东的《我的一张大字报》出台以后，刘少奇成了资产阶级的“黑司令”。这样一来，202厂就像炸开了锅，被造反派闹得鸡犬不宁，刘允斌就成了替罪羊，各派无不以揪斗刘允斌为荣，认为谁批斗得愈狠、愈独具匠心，谁就最热爱毛主席。北京城里二机部的造反派也闻风而动，连夜来厂抢人，把刘允斌揪到北京去批斗。

　　最使刘允斌感到难过的是，过去一些受过他帮助的老工人、老同事，看到他就把头扭到一边；一些平时相处得很好、经常来串门的人，也充当起打手来了。个别的人揪住他的头发，要他做“喷气式”，往死里整他，要他揭发刘少奇。刘允斌相信父亲是光明磊落的。造反派要他喊打倒刘少奇，他不喊；要他断绝与刘少奇的父子关系，他不为所动；要他揭发刘少奇的罪行，他也说不出。

　　在那些日子里，刘允斌和李妙秀夫妻俩孤立无援。一些同情他们的好心人，也爱莫能助，仅有一对从山东来的，开始时帮他们做饭、后来帮他们领两个小孩的老人仍站在他们一边。造反派要两位老人检举揭发刘允斌，但他们心地善良，回答得很干脆：我们只帮他们做饭带小孩，其他事情一概不管。

　　1967年11月21日晚上9时许，刘允斌被批斗了一整天之后，拖着疲惫不堪的身体、带着满身的伤痕，一步一拐地回到家里。他草草地洗了一把脸，和衣躺在床上，喃喃地说：“我的一生没有对不起人民、对不起党的地方。唯一对不起的就是同甘共苦了这么多年，受尽委屈的妻子。”

　　当晚刘允斌讲了许多话，李妙秀以为他白天受了委屈，心中痛苦有感而发，并未引起注意。屋外的风雪越来越大了。李妙秀感到分外疲乏，就沉沉地睡着了。

　　不知过了多长时间，李妙秀在睡梦中惊醒，发现丈夫不在了，急忙冲出家门，四处寻找。一直找到东方发白，才在家属区西北方向的路轨上找到了刘允斌的尸体。他横卧在铁轨上，半个头颅已被碾碎……

　　就这样，这位放弃国外优越生活，不远万里回到祖国、成绩斐然的核专家结束了自己的生命，年仅43岁。唯一留给妻子的是他深夜离家前整齐摆放在写字台上的手表和钢笔。（据《档案春秋》）