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。