新中国成立后，叶企孙一直为熊大缜冤案奔走呼号，寻找为其平反昭雪的机会。想不到沉雪未昭，自己又遭祸端。“文革”爆发后的1967年11月，叶企孙因为熊大缜案牵连，作为“历史反革命分子”被揪出，成了人民的敌人。在一连串的抄家、揪斗、关押，站“斗鬼台”、送“黑帮劳改队”改造，以及无休止的交代“历史问题”等凌辱折磨下，叶企孙一度神经错乱，进入了陈寅恪《南飞》诗所言“众生颠倒诚何说，残命维持转自疑”的悲惨境地。
据叶企孙的侄子、核物理学家叶铭汉受株连后被迫写下的一份“揭发材料”说：“新北大公社的大字报说，校文革和新北大公社早就掌握了叶的材料，并曾上报中央文革，因案情严重，牵涉到很多人，所以没有公布……今年2月初，有一次叶忽然说，‘井冈山’开办学习班，要他和崔雄昆去，他未去。因此‘井冈山’电台天天点名批判他。以后叶每次来我家都说一件事，并说他到王府井去，也可以听到‘井冈山’的广播。还说有一种小声的特殊广播，是专门为他的。有时‘井冈山’和‘新北大’两个电台为他的问题而辩论。一开始我觉得叶所说的内容不合情理，后来逐渐愈来愈感到他的神经不正常。到3月中，我为了证实他所说的是错误的，特地去找过周培源，问他井冈山有没有这种广播，周听罢来意，说没有这种广播。我向周说：‘看来叶是神经失常了，能否请你做些思想工作，跟他说井冈山电台根本没有这种广播，是他自己神经错乱了，是幻觉。’周说：‘你跟他说说就行了。”’叶铭汉又说：“三月中，叶说他一举一动‘井冈山’都有反映（应），他喝一口茶，电台就说他喝茶不对。他走出门，电台就叫他马上回去等等。叶说，‘井冈山’一定有一套类似雷达侦察系统，可以看见他的一切行动。我跟叶讲，你是学物理的，你知道电波透不过墙，根本没有这种事，是幻觉。叶根本不相信我的话。叶说你到我家来听听就知道了。叶还说，说不定现在就有这种雷达。我为了打破叶的幻觉，曾在3月下旬到叶家去了一次，叶说：‘你注意听，我现在喝一口茶，等一会马上就会有广播。’等了一会，我说，根本没有。叶说：‘有，是你的耳朵聋，因此听不见。’……过了几天，老周（南按：叶雇的工友）来找我，说他觉得叶的神经有毛病了。周说叶这几天常说，电台广播要他去中南海开会。有一天，叶忽然穿好衣服要出去，说广播说在车库上车。出去过了一会叶又回来，说广播不让他去。”后经叶铭汉送叶企孙到北医三院神经科检查，诊断为“幻觉症”，因叶是反革命分子，医院给了几片药打发回家了事。叶的病情越发严重，几次半夜穿衣欲去中南海开会，结果是中南海未能成行，却一脚踏进了地狱之门。
1967年7月12日，吕正操以“反革命修正主义分子”被捕入狱，紧接着，原东北军出身的将领张学思（南按：张学良四弟，时为海军参谋长）等与吕正操有关联者相继被逮捕、关押，并由中央军委成立专案组，审理过去的政治问题。当年在吕正操部队遇难的熊大缜再度死尸复活，引起了有关部门高度重视。由于熊大缜死尸复活，叶企孙受到牵连，被迫向前来调查的中央军委办公厅“吕正操专案组”人员写交代材料。1968年4月，“吕正操专案组”将叶企孙作为C。C。特务逮捕关押，开始进行审讯。在押期间，“专案组”进行了大量的“内查外调”，除叶企孙本人，曾对众多人员，包括许多知名人士如翁文灏、冯友兰、赵访熊、戴世光、何成钧、周仁、周同庆、吴泽霖，以及清华大学秘书长沈履、原清华庶务科长毕正宣等进行调查审问。一时间，搞得鸡飞狗跳，人人自危，凡与叶企孙熟悉的人都处在惊慌恐怖之中。在威逼恐吓下，被调查审问者有的始终坚持了人格魅力与文化良知，据实相告。有的出于各自的目的，信口开河，甚至有些神经质地胡言乱语，使本来并不复杂的一个案件，变得扑朔迷离，难辨真伪，最后导致许多人卷入案中蒙受不白之冤。
从“专案组”审讯案卷可以看到，叶企孙涉案问题主要有二：一是与熊大缜的关系；二是在抗战期间和朱家骅的关系。或者说，叶在与熊、朱二人交往中，是否参与了特务组织和从事反革命活动。
1968年9月3日，被捕入狱的叶企孙第一次被提审，审讯员是云、李、孙、刘等四人。身戴手铐脚镣，头发蓬乱，一身破衣的叶企孙，被带进审讯室落座，审讯员第一句话便是：“你的罪行是严重的。交代你和熊大正（南按：原案卷为熊大正）的往来关系！！”
叶企孙于惊恐中交代说：“熊大正去冀中是由北京教会中一个姓黄的送往冀中的。这段话是熊大正在天津清华同学会和我讲的。我反对熊大正去冀中，熊大正在1938年端午节从冀中来到天津，刘维来天津交给我一张纸条，是熊大正亲笔写的，信上说，介绍刘维与你接头（刘维是代表熊大正到天津办事，是熊大正派出来的，与我接头）。在冀中吕正操是领导，也可以讲刘维是代表冀中的。很快我代（带）刘维到王崇植那里去了，见到了王。我知道王是C.C，我的态度是支持南京政府的。”
在被问及何人、在何地搞无线电台时，叶企孙交代说：“作无线电台是在清华同学会，是我安排在三楼一间房子里作电台，我是清华大学临时办事处负责人，他们两人来也是找我。不久，熊大正来了，时间是端午节，从冀中到天津的，住在清华同学会。熊大正来了之后，和我讲了一些冀中情况：1.货币情况；2.经济商业情况；3.交通情况；4.军队情况没谈多少。我和熊大正讲过吕正操应该同鹿钟麟取得联系，这是我的意见，熊大正赞成我的意见，并说这件事还得看情况。我们当时在吕鹿问题上定了暗号，用‘吕鹿合婚’的暗语与熊大正互通情报。”
因叶企孙已经牵涉到控制中共冀中军队的吕正操，与时任国民党政府河北省主席的鹿钟麟的敏感问题，而鹿在河北建立敌后省政权，又曾与八路军发生过摩擦和不快，此事立即引起了审讯人员的警觉，随后的问答也变得紧张、简短、尖锐起来。
问：目的是什么？吕鹿合婚目的？
叶：我的目的是支持蒋介石。
问：吕正操当时受谁领导？
叶：是共产党领导。
问：鹿钟麟当时受谁领导？
叶：是蒋介石领导。
问：吕鹿合婚你主张由谁领导？
叶：我支持蒋介石，由蒋介石领导。
问：交代以后如何搞吕鹿合婚及通情报问题。
叶：我于1938年10月5日离开天津到上海，10月底到香港，11月10日在香港收到熊大正的来信（熊大正的信是从天津发到香港。信中谈到吕鹿合婚等情况，详见原信件），信中说：“林兄近日对生等印象不佳，现为生详为解说，不快之感已去，并愿与生合作编辑书籍之事。”这段话的意思是说，林风对参加冀中工作不满，“编辑科学书籍”，此话是指“参加冀中工作的问题”。
问：熊大正在冀中工作与林合作“搞编辑科学书籍”之事，你必须交代实质问题！叶：说不清……问：南方家中指什么？
叶：是指西南联大。我给熊回了2－3封（信），内容记不清了。我是从1938年11月底由香港回到昆明，1939年3月朱家骅从重庆给我来电报，电文是“生死莫卜”，意思是指熊大正在冀中被捕生死不知。朱家骅怎知熊大正被捕之事？朱是从天津党政军办事处那知道的。天津党政军办事处知道我与熊大正很熟，所以他们叫朱家骅给我打的电报，我接到朱家骅电报后，给朱家骅回信，叫朱家骅营救熊大正。
问：还采取什么行动营救熊大正？
叶：我在1939年4－5月到昆明找到国民党中央研究院叫陶孟和（社会科学所所长，在叶企孙领导下）帮忙，请他再托人帮助营救熊大正，但是不久在昆明路上听说熊大正死了。谁说的记不清了。
第一个回合的审讯结束后，紧接着是第二个回合、第三个回合与无数个回合的交锋。审讯内容仍是围绕上述两大主题展开。从部分审讯材料看，“专案组”对叶企孙如何进入中央研究院，以及是否加入陈立夫的C。C。特务组织之事，似乎更加关注。
在抗战期间和胜利之后，没有人特别关心朱家骅、叶企孙二人的关系，当时学术界知识分子普遍认为，叶氏暂辞清华大学“特种委员会主任”，加盟中央研究院并出任总干事一职，属于正常的工作调动，没有任何特殊的背景和政治色彩。想不到二十个春秋之后，这个简单的工作调动已变得不再普通和寻常了，叶企孙与朱家骅的关系，由此成为决定他在深牢大狱中待多久，甚至是能否保住人头的焦点所在。按照叶企孙的交代，他突然转行出任中央研究院总干事，主要是朱家骅的盛意。叶说：“据吾推测，中央研究院要吾担任总干事的理由，是因为吾对各门科学略知门径，且对于学者间的纠纷，尚能公平处理，使能各展所长。”
在叶企孙当时和之后的岁月里，他认为此事只是人生历程中一个很小的平常枝节，没有什么值得特别说明的。但是，在“专案组”人员看来，问题却没有如此简单。因为办案人员已从梅贻琦与叶企孙的学生、后来担任清华大学中层领导的某君处得到了一份秘密揭发材料，声称：梅贻琦与叶企孙二人均是朱家骅手下的国民党“中统”特务，且“中统”在清华还有一个分支机构，主要负责人就是校长梅贻琦。为证明这个说法成立，某君解释道：“叶企孙是理学院长，一向梅贻琦因事外出，总是由叶企孙代行校长职务，即在抗日战争前后都是这样做的。直到解放后，还是沿袭过去惯例由叶担任过一个时期的校务委员会主席。当时伪教育部长朱家骅是反动组织‘中统’头子陈立夫手下的第一名打手，与叶的关系相同于梅与朱的关系。因此，我认为朱家骅不可能不拉叶参加这个反动组织。”
在被拘押前，叶企孙于1968年1月22日向“专案组”就自己与朱家骅相识与共事经过，曾作过如下交代：“1918年8月，我同朱家骅同船赴美国留学。那时吾同朱并不熟识。朱不是清华公费生。到美后，吾同朱并不同学，也不通信。朱留美不久，即转往德国留学。朱回国后，曾在北京大学教地质学，但为时不久，比李四光在北大教地质学的时间要短得多。在同类地质学家中，吾同丁文江、翁文灏和李四光相熟在前，同朱相熟在后。约1933年，中央研究院成立第一届评议会，吾当选为评议员。评议会约每年或每两年开一次会，开会时可以会到丁、翁、李、朱四位地质学家。”又说：“朱就院长时，总干事为任鸿隽，不久辞职。1941年春，朱来信要吾担任总干事。吾应允了，但须秋间方能到职。”
因那位清华大学的中层干部、叶企孙“高足”某君横空出世的震撼性揭发，使叶企孙与朱家骅的关系变得严重复杂起来。在提审人员冷峻与冷厉目光逼视下，叶在坚决表示没有加入C.C系特务组织的同时，不得不细心回忆与朱家骅交往的陈年旧事，尽量在每一个细节上都交代清楚且与以前交代的相吻合。9月4日上午，叶交代说：“我从1918年同朱家骅认识的，是一同去美国的。在1918年8月在南京号轮船上认识的。朱到纽约，我到芝加哥。1924年3月（我）回国在南京东南大学任物理系副教授。1933年在南京中央研究院开评议会时同朱家骅见面。他是地质组，我是评议员，议长是蔡元培，物理组组长是丁燮林（现叫丁西林）或李书华。1941年开始同朱家骅往来多了。1941年春夏时期，我在昆明受（收）到朱家骅的来信，叫我到国民党政府中央研究院工作担任总干事。当时朱家骅是该院院长，又是国民党党内的反动特务，是中央组织部部长。我应允朱家骅的邀请到了重庆作了中央研究院的总干事。我管计划、预算、审查著作、聘请人、筹备开会等。”又说：“我在中央训练团作过两次报告。中央训练团是培养训练政治上的反动分子，参加受训的都是（国民党）党员。我讲课两次，中央训练团负责人是陈立夫、段锡朋、朱家骅。我去中央训练团所作的两次报告是应中央训练团的聘请书而去的，所报告的内容是‘科学问题’、‘数理化’、科学的重要性等。”
当“专案组”人员问到既然叶不是国民党员，为何收缴党费却要盖叶企孙私章的问题时，叶回答说：“因为朱家骅是党员，我是研究院负责人之一——总干事，我的图章放在总务主任王毅侯那，所以盖我的图章……（本来）应该盖朱家骅的章。为什么盖我的章，我也搞不清。”这个口供显然比叶企孙入狱前的交代要详尽得多，但从办案的角度看，要想与C。C。特务组织挂上钩，还有一大段距离。
从叶企孙前后两次交代中可以看出，朱与叶作为同事之前，仅是熟悉而已。朱家骅之所以瞄上了叶企孙，除了叶自己所说的受到“正统思想”和“欧美资产阶级思想”的双重教育，一个重要原因就是叶的学术地位和组织处事能力非一般人可比拟。当时中央研究院各所的主要支柱，基本都是清华出身或与清华相关的欧美系统，而叶企孙在这个系统的地位之高、之重是有目共睹的。按冯友兰亲笔向中共中央军委专案组提供的“揭发”材料说：“叶企孙，按解放前北京教育界的派系说，是清华派的第二号人物（第一号人物是梅贻琦），在清华几次代理校务，当过理学院长，负责清华的几个研究所的工作，在清华有很大的影响。”冯友兰此话大致不差，正是缘于这种其他人无法企及的影响力，叶企孙才能做到“对于学者间的纠纷，尚能公平处理”。加之叶是一个无党派人士，性格温和，以此面目出现，对于各政治派别和学术利益集团的平衡，更有一种无形的亲和力与说服力——这便是朱家骅请其出山的根本动机。据资料显示，朱家骅最初想让叶企孙出任中央研究院总干事的计划是在1940年夏，当时梅贻琦因公赴渝与朱家骅相见，朱向梅表示，有意聘叶企孙接替身体欠佳的傅斯年担任中央研究院总干事。此前朱家骅与翁文灏、傅斯年已与叶单独做过沟通并谈及此事，叶表示“亦未尝不可尽其绵力，逐渐使该院之研究事业更上轨道”。但又说要看梅的态度再商定。梅听罢朱家骅的要求，颇感为难，表示清华方面的事务很难离开叶。当时西南联大的情况如冯友兰所言：“除了联大的总部外，三校各有其自己的办事处，自己设立一些机构，与联大无关。清华的办事处最大，自己设立的机构也比较多，主要的是那些原来办的研究所，有农业、航空、无线电、金属和国情普查等研究所，这些所都不招学生，与联大毫无关系。清华还有研究院，招收研究生，他们虽然也往联大听课，可是不算联大的学生。北大办有文科研究所，招收研究生，也与联大无关。”又说“当时的联大，好像是一个旧社会中的大家庭，上边有老爷爷，老奶奶作为家长，下边又分成几个房头。每个房头都有自己的‘私房’。他们的一般生活靠大家庭，但各房又各有自己经营的事业。‘官中’、‘私房’，并行不悖，互不干涉，各不相妨，真是像《中庸》所说的‘小德川流，大德敦化，此天地之所以为大也’。”
清华办理的所谓“特种研究事业”，是指清华在战前办的农业、航空工业、无线电三个研究所，以及到昆明之后增办的金属学及国情普查等两个研究所。为便于统筹管理，清华把五个所组成一个“特种研究事业委员会”，叶企孙为主任，主持全面工作。为了不驳朱家骅的面子，梅贻琦最后答应如果中央研究院非要叶出山赴重庆就任，最好不脱离清华而两边兼顾。这一条件令朱家骅未知可否，表示与同仁商量后再作决定。
到了这年的9月29日，朱家骅致信梅贻琦，说已同翁文灏与傅斯年二人商量，不同意叶企孙两边兼顾，只能放弃清华而专任中央研究院总干事职。其理由是按中央研究院章程规定，凡院内专任人员不能兼职。为使问题更加清楚明了，在朱家骅授意下，1940年10月15日，翁文灏以中央研究院评议会秘书的名义致信梅贻琦，信中说道：
叶企孙兄至渝后接理中央研究院各事，朱骝先及傅孟真诸君均热诚匡助，可以顺 利进行。惟有一事窃愿以友谊奉商者：兄前次至渝时，曾经谈及企孙兄于短时间内暂兼清华教务名义，但可以随时商停。此事固仅为一名义问题，但事实上亦有若干影响。中央研究院总干事一职向为专任，丁在君兄初受院聘时，方任北京大学教授，当经商定，俟功课教毕，完全离开北大（教授名义亦辞卸），然后方至院内任事。企孙兄最好能免兼大学教授（但如聘为名誉教授则似尚可行）。此事弟与企孙兄面谈时亦经提及，并以奉陈，敬希察照酌采，至为企幸。
梅贻琦接信后，对这种“霸王条款”表示不能接爱，遂置之不理，坐看朱、翁等人如何处理。1941年5月16日，梅贻琦因公再赴重庆，想起几个月来朱、翁二人书信不断，为叶企孙事纠缠不休，便想借此机会就此事来个彻底了结。据梅贻琦日记载：
5月21日，“六点半至牛角沱资源委员会访翁咏霓，谈企孙就中央研究院总干事问题。”22日，“五点往巴中组织部访朱骝先部长谈企孙问题。”
5月30日，“十一刻至中央医院门前，往返园中一刻许，寻得傅孟真所住病室，渠于前日曾割扁桃体腺一半，说话不便，未敢与之多谈。”
此时傅斯年重病在身，中央研究院总办事处急需有人接替料理，在朱、翁、傅等人的恳切要求下，梅贻琦终于同意叶企孙以请假的名义离开清华，专任中央研究院总干事职。朱、翁、傅等人听罢，各自才长出了一口气。
叶企孙在狱中审讯时，因几次提到拉他人中央研究院的关键人物翁文灏，“专案组”遂找到国民党统治后期的行政院院长、时住在北京的翁氏，让其写揭发叶的材料。在一份由他人代笔，翁文灏本人阅后签字的材料中说：“叶在清华大学，作物理学系主任。我也在那里教过书。解放以前，听人家说，那时是伪中央研究院，朱家骅想请叶当总干事。权力第一是院长，第二位就是总干事。叶去过一下，时间很短，没有做下去，很快就离开了。……朱家骅作过交通部长，北洋军阀时期朱是北大教授，后来做过很多国民党的工作。朱与叶一定认识，否则，朱请不动叶到中央研究院当总干事。”
听翁文灏的口气，似乎国民党在重庆期间，他本人没有同朱家骅争夺过中央研究院院长的位子，也不是大权在握的中央研究院评议会的秘书，更不知朱与叶此前是否相识，只是“听人家说”，那时有个伪中央研究院的机构如何如何。翁氏真不愧是宦海名宿，从官场名臣李鸿章那里学来的“捣糨糊”的回旋术和脱身术，可谓至绝至妙矣！
“专案组”在叶企孙与相关证明人的口供中找不到叶企孙参加C。C。特务的证据，很是恼火，便几次将清华大学那位揭发叶是C。C。特务的中层行政干部捉来审问，希望从中找到突破口。这位干部一口咬定叶企孙确实是C。C。特务，并煞有介事地说：“中统（特务组织）在清华，梅贻琦、吴泽霖、沈履、叶企孙、戴世光等人是领导核心。梅贻琦总其全权，在北平由国民党市党部情报组直接领导。”又说：“清华的几个院长如冯友兰、陈岱孙、汤佩松等人都是中统分子……在清华反动组织‘中统’骨干分子的分工。据我所了解的是，沈履负责职工方面的工作，戴世光负责学生方面，吴泽霖负责教师方面的。沈履在一次谈话中还说到过叶在校内监视进步教师的一些活动。”
面对此人慷慨激昂的言辞和信誓旦旦的保证，“专案组”人员一时感到丈二和尚——摸不着头脑，不得不一次又一次地把相关人员捉来调查、审问。当把“揭发”出的戴世光捉来审讯时，戴回答说：“我没有听说过清华有什么中统组织，我想，‘中统’大概是指国民党反动派的特务组织，而不是国民党时代的‘中国统计学会’。我参加过中国统计学会，是会员，但清华没有统计分会。叶企孙没有，也不会参加中国统计学会。”戴氏的“交代”既不乏幽默，又似乎是事实，办案人员如堕雾中，只得本着宁信其有，不信其无的原则，继续加大调查与审讯的力度，于是，一群又一群涉案者被捉来审讯。
如此往复调查、审讯，叶企孙在狱中反复解说、回忆、争辩、检讨、坦白，在极度的恐慌与没完没了的坦白交代与花样百出的折磨中，叶精神分裂症加重，身体状况急剧下降。“专案组”在经过花样百出的折腾后，开始认为“叶证据不足，不能定特务”，但又不知如何处置，遂将情况上报。在周恩来的亲自批示下，1969年年底，叶企孙被放出监狱，由北大红卫兵组织对其实行“隔离审查”。也就是说，中央军委专案组历时一年半未能搞清的案情，将由神通广大的红卫兵小将们来完成。叶企孙出了监狱又步入地狱，从此落入红卫兵手中，经受更严酷的煎熬。经过一阵乱拳加乱棍的摔打锤炼，叶企孙病情再度加重，前列腺肥大，小便失禁，两腿肿胀难以站立。偶尔走动，腰弯成九十度，似一根弯曲的枯木在风雨中摇晃。再后来，叶的神经彻底崩溃，成了一个胡言乱语的疯子。
日夕凉风至，闻蝉但益悲。自1969年出狱始，叶企孙每月只能领50元工资，吃饭穿衣皆不能足，生活凄惨。当看管的红卫兵稍微放松一点，叶本能地溜出来在中关村一带的小摊上讨吃讨喝儿，嘴里不住地咕囔着别人很难听懂的话语。当时中科院有几个研究所已迁往北大校园所在的中关村一带，不少与叶熟悉的朋友见到了下列一幕惨不忍睹的情景：叶企孙头发花白，弓着背，整个身子呈九十度直角状，穿着一双破棉鞋，踯躅街头，间或踽踽前行。有时来到一家店铺小摊，或买或向摊主伸手索要一二个明显带有虫咬疤痕的小苹果，过走边津津津有味地啃着，碰到教授模样或学生打扮的人，便伸出一只枯干的手，说：“你有钱给我几个”。所求不过一二角而已！望者无不为之潸然。
1972年，海外友人任之恭、赵元任和学生辈人物林家翘、戴振铎、杨振宁等著名学者陆续回国观光时，曾分别向有关部门请求探望叶企孙，均被对方以各种说辞婉拒。几位不明内里的书呆子于失望之中又不甘心，设法躲开陪同人员的掌控，悄悄向北大校园家属区探听消息，但复被有关方面发现并加以劝阻。就在海外学人几番探询未果之时，却意外从清华园得到了叶企孙好友、一代建筑学大师梁思成撒手归天的消息。