在抗日战争和解放战争时期，中共把一批烈士遗孤和高干子女送到苏联去学习。1939年，周恩来去中央党校讲课，从马上摔了下来，右臂骨折，中央让他去苏联就医，就由他带领一批高干子女乘飞机从延安出发，经兰州、过迪北（今乌鲁木齐市）前往苏联，刘允斌就是这批学员中的一员。

　　刘允斌最初被送入莫斯科近郊的莫尼诺国际儿童院，后来又转到伊万诺沃国际儿童院，与数百名各国儿童生活在一起，他们同样都是各国共产党或工人党领导人的子女。

　　刘允斌学习很用功，新学年开始时，他被编入十年制学校的六年级学习，跳了一级。

　　1941年6月22日，德国法西斯对苏联不宣而战，德军装甲车长驱直入，在攻打明斯克市时，德军抓走了20多名正在这里度假的孩子，其中就有朱德的女儿朱敏。儿童院大为震惊，动员大家参军，不少西欧国家来的大孩子穿上了军装，开赴前线。刘允斌也要求上前线打仗，但没有得到批准。

　　1943年11月，希特勒的军队全部撤出苏联。但是卫国战争的胜利给国际儿童院并未带来半点好处，这一年共产国际解散了中共驻共产国际的代表团，儿童院成了无娘的孩子，儿童院的孩子们经常挨饿。

　　1945年夏天，刘允斌高中毕业了，这时苏联红军已经攻入德国境内，苏联国内恢复了和平生活，大学相继复课。刘允斌进入莫斯科钢铁学院学习。由于学习勤奋，他的各科成绩在班上均名列前茅，使苏联教师惊叹不已。

　　然而刘允斌对自己所学的专业并不满意。1945年8月，美国在日本投掷了原子弹以后，不可一世的日本军国主义乖乖地宣布无条件投降。这一下大大刺激了苏联。在德国投降以后，苏联千方百计搜罗参加过德国原子弹研制的专家、图纸、仪器设备，抢先弄回国内，开始了自己的原子弹研究工作，并在莫斯科大学开设了原子能专业，这是一个十分秘密的专业，非苏联人不能进入这个专业。

　　刘允斌知道原子能对祖国有重大意义。他在莫斯科钢铁学院学习了一年之后，决定离开这所大学，重新报考莫斯科大学化学系，因为化学系有一个核放射化学专业，它与原子能有关，将来可为原子能事业服务。“苍天不负有心人”，刘允斌如愿以偿地进入了这个专业学习。

　　1947年，中国在苏联的留学生成立了一个中国同乡会。由于刘允斌学习成绩好，工作积极，被选为同乡会会长。