新中國成立後，葉企孫一直為熊大縝冤案奔走呼號，尋找為其平反昭雪的機會。想不到沉雪未昭，自己又遭禍端。 “文革”爆發後的1967年11月，葉企孫因為熊大縝案牽連，作為“歷史反革命分子”被揪出，成了人民的敵人。在一連串的抄家、揪鬥、關押，站“斗鬼台”、送“黑幫勞改隊”改造，以及無休止的交代“歷史問題”等凌辱折磨下，葉企孫一度神經錯亂，進入了陳寅恪《南飛》詩所言“眾生顛倒誠何說，殘命維持轉自疑”的悲慘境地。
據葉企孫的侄子、核物理學家葉銘漢受株連後被迫寫下的一份“揭發材料”說：“新北大公社的大字報說，校文革和新北大公社早就掌握了葉的材料，並曾上報中央文革，因案情嚴重，牽涉到很多人，所以沒有公佈……今年2月初，有一次葉忽然說，'井岡山'開辦學習班，要他和崔雄昆去，他未去。因此'井岡山'電台天天點名批判他。以後葉每次來我家都說一件事，並說他到王府井去，也可以聽到'井岡山'的廣播。還說有一種小聲的特殊廣播，是專門為他的。有時'井岡山'和'新北大'兩個電台為他的問題而辯論。一開始我覺得葉所說的內容不合情理，後來逐漸愈來愈感到他的神經不正常。到3月中，我為了證實他所說的是錯誤的，特地去找過周培源，問他井岡山有沒有這種廣播，週聽罷來意，說沒有這種廣播。我向周說：'看來葉是神經失常了，能否請你做些思想工作，跟他說井岡山電台根本沒有這種廣播，是他自己神經錯亂了，是幻覺。'周說：'你跟他說說就行了。”'葉銘漢又說：“三月中，葉說他一舉一動'井岡山'都有反映（應），他喝一口茶，電台就說他喝茶不對。他走出門，電台就叫他馬上回去等等。葉說，'井岡山'一定有一套類似雷達偵察系統，可以看見他的一切行動。我跟葉講，你是學物理的，你知道電波透不過牆，根本沒有這種事，是幻覺。葉根本不相信我的話。葉說你到我家來聽听就知道了。葉還說，說不定現在就有這種雷達。我為了打破葉的幻覺，曾在3月下旬到葉家去了一次，葉說：'你注意聽，我現在喝一口茶，等一會馬上就會有廣播。'等了一會，我說，根本沒有。葉說：'有，是你的耳朵聾，因此聽不見。'……過了幾天，老周（南按：葉僱的工友）來找我，說他覺得葉的神經有毛病了。周說葉這幾天常說，電台廣播要他去中南海開會。有一天，葉忽然穿好衣服要出去，說廣播說在車庫上車。出去過了一會葉又回來，說廣播不讓他去。”後經葉銘漢送葉企孫到北醫三院神經科檢查，診斷為“幻覺症”，因葉是反革命分子，醫院給了幾片藥打發回家了事。葉的病情越發嚴重，幾次半夜穿衣欲去中南海開會，結果是中南海未能成行，卻一腳踏進了地獄之門。
1967年7月12日，呂正操以“反革命修正主義分子”被捕入獄，緊接著，原東北軍出身的將領張學思（南按：張學良四弟，時為海軍參謀長）等與呂正操有關聯者相繼被逮捕、關押，並由中央軍委成立專案組，審理過去的政治問題。當年在呂正操部隊遇難的熊大縝再度死屍復活，引起了有關部門高度重視。由於熊大縝死屍復活，葉企孫受到牽連，被迫向前來調查的中央軍委辦公廳“呂正操專案組”人員寫交代材料。 1968年4月，“呂正操專案組”將葉企孫作為C。 C。特務逮捕關押，開始進行審訊。在押期間，“專案組”進行了大量的“內查外調”，除葉企孫本人，曾對眾多人員，包括許多知名人士如翁文灝、馮友蘭、趙訪熊、戴世光、何成鈞、周仁、周同慶、吳澤霖，以及清華大學秘書長沈履、原清華庶務科長畢正宣等進行調查審問。一時間，搞得雞飛狗跳，人人自危，凡與葉企孫熟悉的人都處在驚慌恐怖之中。在威逼恐嚇下，被調查審問者有的始終堅持了人格魅力與文化良知，據實相告。有的出於各自的目的，信口開河，甚至有些神經質地胡言亂語，使本來並不復雜的一個案件，變得撲朔迷離，難辨真偽，最後導致許多人捲入案中蒙受不白之冤。
從“專案組”審訊案卷可以看到，葉企孫涉案問題主要有二：一是與熊大縝的關係；二是在抗戰期間和朱家驊的關係。或者說，葉在與熊、朱二人交往中，是否參與了特務組織和從事反革命活動。
1968年9月3日，被捕入獄的葉企孫第一次被提審，審訊員是雲、李、孫、劉等四人。身戴手銬腳鐐，頭髮蓬亂，一身破衣的葉企孫，被帶進審訊室落座，審訊員第一句話便是：“你的罪行是嚴重的。交代你和熊大正（南按：原案卷為熊大正）的往來關係！！”
葉企孫於驚恐中交代說：“熊大正去冀中是由北京教會中一個姓黃的送往冀中的。這段話是熊大正在天津清華同學會和我講的。我反對熊大正去冀中，熊大正在1938年端午節從冀中來到天津，劉維來天津交給我一張紙條，是熊大正親筆寫的，信上說，介紹劉維與你接頭（劉維是代表熊大正到天津辦事，是熊大正派出來的，與我接頭）。在冀中呂正操是領導，也可以講劉維是代表冀中的。很快我代（帶）劉維到王崇植那裡去了，見到了王。我知道王是CC，我的態度是支持南京政府的。”
在被問及何人、在何地搞無線電台時，葉企孫交代說：“作無線電台是在清華同學會，是我安排在三樓一間房子裡作電台，我是清華大學臨時辦事處負責人，他們兩人來也是找我。不久，熊大正來了，時間是端午節，從冀中到天津的，住在清華同學會。熊大正來了之後，和我講了一些冀中情況：1.貨幣情況；2.經濟商業情況；3.交通情況；4.軍隊情況沒談多少。我和熊大正講過呂正操應該同鹿鍾麟取得聯繫，這是我的意見，熊大正贊成我的意見，並說這件事還得看情況。我們當時在呂鹿問題上定了暗號，用'呂鹿合婚'的暗語與熊大正互通情報。”
因葉企孫已經牽涉到控制中共冀中軍隊的呂正操，與時任國民黨政府河北省主席的鹿鍾麟的敏感問題，而鹿在河北建立敵後省政權，又曾與八路軍發生過摩擦和不快，此事立即引起了審訊人員的警覺，隨後的問答也變得緊張、簡短、尖銳起來。
問：目的是什麼？呂鹿合婚目的？
葉：我的目的是支持蔣介石。
問：呂正操當時受誰領導？
葉：是共產黨領導。
問：鹿鍾麟當時受誰領導？
葉：是蔣介石領導。
問：呂鹿合婚你主張由誰領導？
葉：我支持蔣介石，由蔣介石領導。
問：交代以後如何搞呂鹿合婚及通情報問題。
葉：我於1938年10月5日離開天津到上海，10月底到香港，11月10日在香港收到熊大正的來信（熊大正的信是從天津發到香港。信中談到呂鹿合婚等情況，詳見原信件），信中說：“林兄近日對生等印像不佳，現為生詳為解說，不快之感已去，並願與生合作編輯書籍之事。”這段話的意思是說，林風對參加冀中工作不滿，“編輯科學書籍”，此話是指“參加冀中工作的問題”。
問：熊大正在冀中工作與林合作“搞編輯科學書籍”之事，你必須交代實質問題！葉：說不清……問：南方家中指什麼？
葉：是指西南聯大。我給熊回了2－3封（信），內容記不清了。我是從1938年11月底由香港回到昆明，1939年3月朱家驊從重慶給我來電報，電文是“生死莫卜”，意思是指熊大正在冀中被捕生死不知。朱家驊怎知熊大正被捕之事？朱是從天津黨政軍辦事處那知道的。天津黨政軍辦事處知道我與熊大正很熟，所以他們叫朱家驊給我打的電報，我接到朱家驊電報後，給朱家驊回信，叫朱家驊營救熊大正。
問：還採取什麼行動營救熊大正？
葉：我在1939年4－5月到昆明找到國民黨中央研究院叫陶孟和（社會科學所所長，在葉企孫領導下）幫忙，請他再託人幫助營救熊大正，但是不久在昆明路上聽說熊大正死了。誰說的記不清了。
第一個回合的審訊結束後，緊接著是第二個回合、第三個回合與無數個回合的交鋒。審訊內容仍是圍繞上述兩大主題展開。從部分審訊材料看，“專案組”對葉企孫如何進入中央研究院，以及是否加入陳立夫的C。 C。特務組織之事，似乎更加關注。
在抗戰期間和勝利之後，沒有人特別關心朱家驊、葉企孫二人的關係，當時學術界知識分子普遍認為，葉氏暫辭清華大學“特種委員會主任”，加盟中央研究院並出任總幹事一職，屬於正常的工作調動，沒有任何特殊的背景和政治色彩。想不到二十個春秋之後，這個簡單的工作調動已變得不再普通和尋常了，葉企孫與朱家驊的關係，由此成為決定他在深牢大獄中待多久，甚至是能否保住人頭的焦點所在。按照葉企孫的交代，他突然轉行出任中央研究院總幹事，主要是朱家驊的盛意。葉說：“據吾推測，中央研究院要吾擔任總幹事的理由，是因為吾對各門科學略知門徑，且對於學者間的糾紛，尚能公平處理，使能各展所長。”
在葉企孫當時和之後的歲月裡，他認為此事只是人生歷程中一個很小的平常枝節，沒有什麼值得特別說明的。但是，在“專案組”人員看來，問題卻沒有如此簡單。因為辦案人員已從梅貽琦與葉企孫的學生、後來擔任清華大學中層領導的某君處得到了一份秘密揭發材料，聲稱：梅貽琦與葉企孫二人均是朱家驊手下的國民黨“中統”特務，且“中統”在清華還有一個分支機構，主要負責人就是校長梅貽琦。為證明這個說法成立，某君解釋道：“葉企孫是理學院長，一向梅貽琦因事外出，總是由葉企孫代行校長職務，即在抗日戰爭前後都是這樣做的。直到解放後，還是沿襲過去慣例由葉擔任過一個時期的校務委員會主席。當時偽教育部長朱家驊是反動組織'中統'頭子陳立夫手下的第一名打手，與葉的關係相同於梅與朱的關係。因此，我認為朱家驊不可能不拉葉參加這個反動組織。”
在被拘押前，葉企孫於1968年1月22日向“專案組”就自己與朱家驊相識與共事經過，曾作過如下交代：“1918年8月，我同朱家驊同船赴美國留學。那時吾同朱並不熟識。朱不是清華公費生。到美後，吾同朱並不同學，也不通信。朱留美不久，即轉往德國留學。朱回國後，曾在北京大學教地質學，但為時不久，比李四光在北大教地質學的時間要短得多。在同類地質學家中，吾同丁文江、翁文灝和李四光相熟在前，同朱相熟在後。約1933年，中央研究院成立第一屆評議會，吾當選為評議員。評議會約每年或每兩年開一次會，開會時可以會到丁、翁、李、朱四位地質學家。”又說：“朱就院長時，總幹事為任鴻雋，不久辭職。1941年春，朱來信要吾擔任總幹事。吾應允了，但須秋間方能到職。”
因那位清華大學的中層幹部、葉企孫“高足”某君橫空出世的震撼性揭發，使葉企孫與朱家驊的關係變得嚴重複雜起來。在提審人員冷峻與冷厲目光逼視下，葉在堅決表示沒有加入CC系特務組織的同時，不得不細心回憶與朱家驊交往的陳年舊事，盡量在每一個細節上都交代清楚且與以前交代的相吻合。 9月4日上午，葉交代說：“我從1918年同朱家驊認識的，是一同去美國的。在1918年8月在南京號輪船上認識的。朱到紐約，我到芝加哥。1924年3月（我）回國在南京東南大學任物理系副教授。1933年在南京中央研究院開評議會時同朱家驊見面。他是地質組，我是評議員，議長是蔡元培，物理組組長是丁燮林（現叫丁西林）或李書華。1941年開始同朱家驊往來多了。1941年春夏時期，我在昆明受（收）到朱家驊的來信，叫我到國民黨政府中央研究院工作擔任總幹事。當時朱家驊是該院院長，又是國民黨黨內的反動特務，是中央組織部部長。我應允朱家驊的邀請到了重慶作了中央研究院的總幹事。我管計劃、預算、審查著作、聘請人、籌備開會等。”又說：“我在中央訓練團作過兩次報告。中央訓練團是培養訓練政治上的反動分子，參加受訓的都是（國民黨）黨員。我講課兩次，中央訓練團負責人是陳立夫、段錫朋、朱家驊。我去中央訓練團所作的兩次報告是應中央訓練團的聘請書而去的，所報告的內容是'科學問題'、'數理化'、科學的重要性等。”
當“專案組”人員問到既然葉不是國民黨員，為何收繳黨費卻要蓋葉企孫私章的問題時，葉回答說：“因為朱家驊是黨員，我是研究院負責人之一——總幹事，我的圖章放在總務主任王毅侯那，所以蓋我的圖章……（本來）應該蓋朱家驊的章。為什麼蓋我的章，我也搞不清。”這個口供顯然比葉企孫入獄前的交代要詳盡得多，但從辦案的角度看，要想與C。 C。特務組織掛上鉤，還有一大段距離。
從葉企孫前後兩次交代中可以看出，朱與葉作為同事之前，僅是熟悉而已。朱家驊之所以瞄上了葉企孫，除了葉自己所說的受到“正統思想”和“歐美資產階級思想”的雙重教育，一個重要原因就是葉的學術地位和組織處事能力非一般人可比擬。當時中央研究院各所的主要支柱，基本都是清華出身或與清華相關的歐美系統，而葉企孫在這個系統的地位之高、之重是有目共睹的。按馮友蘭親筆向中共中央軍委專案組提供的“揭發”材料說：“葉企孫，按解放前北京教育界的派系說，是清華派的第二號人物（第一號人物是梅貽琦），在清華幾次代理校務，當過理學院長，負責清華的幾個研究所的工作，在清華有很大的影響。”馮友蘭此話大致不差，正是緣於這種其他人無法企及的影響力，葉企孫才能做到“對於學者間的糾紛，尚能公平處理”。加之葉是一個無黨派人士，性格溫和，以此面目出現，對於各政治派別和學術利益集團的平衡，更有一種無形的親和力與說服力——這便是朱家驊請其出山的根本動機。據資料顯示，朱家驊最初想讓葉企孫出任中央研究院總幹事的計劃是在1940年夏，當時梅貽琦因公赴渝與朱家驊相見，朱向梅表示，有意聘葉企孫接替身體欠佳的傅斯年擔任中央研究院總幹事。此前朱家驊與翁文灝、傅斯年已與葉單獨做過溝通並談及此事，葉表示“亦未嘗不可盡其綿力，逐漸使該院之研究事業更上軌道”。但又說要看梅的態度再商定。梅聽罷朱家驊的要求，頗感為難，表示清華方面的事務很難離開葉。當時西南聯大的情況如馮友蘭所言：“除了聯大的總部外，三校各有其自己的辦事處，自己設立一些機構，與聯大無關。清華的辦事處最大，自己設立的機構也比較多，主要的是那些原來辦的研究所，有農業、航空、無線電、金屬和國情普查等研究所，這些所都不招學生，與聯大毫無關係。清華還有研究院，招收研究生，他們雖然也往聯大聽課，可是不算聯大的學生。北大辦有文科研究所，招收研究生，也與聯大無關。”又說“當時的聯大，好像是一個舊社會中的大家庭，上邊有老爺爺，老奶奶作為家長，下邊又分成幾個房頭。每個房頭都有自己的'私房'。他們的一般生活靠大家庭，但各房又各有自己經營的事業。'官中'、'私房'，並行不悖，互不干涉，各不相妨，真是像《中庸》所說的'小德川流，大德敦化，此天地之所以為大也'。”
清華辦理的所謂“特種研究事業”，是指清華在戰前辦的農業、航空工業、無線電三個研究所，以及到昆明之後增辦的金屬學及國情普查等兩個研究所。為便於統籌管理，清華把五個所組成一個“特種研究事業委員會”，葉企孫為主任，主持全面工作。為了不駁朱家驊的面子，梅貽琦最後答應如果中央研究院非要葉出山赴重慶就任，最好不脫離清華而兩邊兼顧。這一條件令朱家驊未知可否，表示與同仁商量後再作決定。
到了這年的9月29日，朱家驊致信梅貽琦，說已同翁文灝與傅斯年二人商量，不同意葉企孫兩邊兼顧，只能放棄清華而專任中央研究院總幹事職。其理由是按中央研究院章程規定，凡院內專任人員不能兼職。為使問題更加清楚明了，在朱家驊授意下，1940年10月15日，翁文灝以中央研究院評議會秘書的名義致信梅貽琦，信中說道：
葉企孫兄至渝後接理中央研究院各事，朱騮先及傅孟真諸君均熱誠匡助，可以順利進行。惟有一事竊願以友誼奉商者：兄前次至渝時，曾經談及企孫兄於短時間內暫兼清華教務名義，但可以隨時商停。此事固僅為一名義問題，但事實上亦有若干影響。中央研究院總幹事一職向為專任，丁在君兄初受院聘時，方任北京大學教授，當經商定，俟功課教畢，完全離開北大（教授名義亦辭卸），然後方至院內任事。企孫兄最好能免兼大學教授（但如聘為名譽教授則似尚可行）。此事弟與企孫兄面談時亦經提及，並以奉陳，敬希察照酌採，至為企幸。
梅貽琦接信後，對這種“霸王條款”表示不能接愛，遂置之不理，坐看朱、翁等人如何處理。 1941年5月16日，梅貽琦因公再赴重慶，想起幾個月來朱、翁二人書信不斷，為葉企孫事糾纏不休，便想藉此機會就此事來個徹底了結。據梅貽琦日記載：
5月21日，“六點半至牛角沱資源委員會訪翁詠霓，談企孫就中央研究院總幹事問題。”22日，“五點往巴中組織部訪朱騮先部長談企孫問題。”
5月30日，“十一刻至中央醫院門前，往返園中一刻許，尋得傅孟真所住病室，渠於前日曾割扁桃體腺一半，說話不便，未敢與之多談。”
此時傅斯年重病在身，中央研究院總辦事處急需有人接替料理，在朱、翁、傅等人的懇切要求下，梅貽琦終於同意葉企孫以請假的名義離開清華，專任中央研究院總幹事職。朱、翁、傅等人聽罷，各自才長出了一口氣。
葉企孫在獄中審訊時，因幾次提到拉他人中央研究院的關鍵人物翁文灝，“專案組”遂找到國民黨統治後期的行政院院長、時住在北京的翁氏，讓其寫揭發葉的材料。在一份由他人代筆，翁文灝本人閱後簽字的材料中說：“葉在清華大學，作物理學系主任。我也在那裡教過書。解放以前，聽人家說，那時是偽中央研究院，朱家驊想請葉當總幹事。權力第一是院長，第二位就是總幹事。葉去過一下，時間很短，沒有做下去，很快就離開了。……朱家驊作過交通部長，北洋軍閥時期朱是北大教授，後來做過很多國民黨的工作。朱與葉一定認識，否則，朱請不動葉到中央研究院當總幹事。”
聽翁文灝的口氣，似乎國民黨在重慶期間，他本人沒有同朱家驊爭奪過中央研究院院長的位子，也不是大權在握的中央研究院評議會的秘書，更不知朱與葉此前是否相識，只是“聽人家說”，那時有個偽中央研究院的機構如何如何。翁氏真不愧是宦海名宿，從官場名臣李鴻章那裡學來的“搗糨糊”的迴旋術和脫身術，可謂至絕至妙矣！
“專案組”在葉企孫與相關證明人的口供中找不到葉企孫參加C。 C。特務的證據，很是惱火，便幾次將清華大學那位揭發葉是C。 C。特務的中層行政幹部捉來審問，希望從中找到突破口。這位幹部一口咬定葉企孫確實是C。 C。特務，並煞有介事地說：“中統（特務組織）在清華，梅貽琦、吳澤霖、沈履、葉企孫、戴世光等人是領導核心。梅貽琦總其全權，在北平由國民黨市黨部情報組直接領導。”又說：“清華的幾個院長如馮友蘭、陳岱孫、湯佩松等人都是中統分子……在清華反動組織'中統'骨幹分子的分工。據我所了解的是，沈履負責職工方面的工作，戴世光負責學生方面，吳澤霖負責教師方面的。沈履在一次談話中還說到過葉在校內監視進步教師的一些活動。”
面對此人慷慨激昂的言辭和信誓旦旦的保證，“專案組”人員一時感到丈二和尚——摸不著頭腦，不得不一次又一次地把相關人員捉來調查、審問。當把“揭發”出的戴世光捉來審訊時，戴回答說：“我沒有聽說過清華有什麼中統組織，我想，'中統'大概是指國民黨反動派的特務組織，而不是國民黨時代的'中國統計學會'。我參加過中國統計學會，是會員，但清華沒有統計分會。葉企孫沒有，也不會參加中國統計學會。”戴氏的“交代”既不乏幽默，又似乎是事實，辦案人員如墮霧中，只得本著寧信其有，不信其無的原則，繼續加大調查與審訊的力度，於是，一群又一群涉案者被捉來審訊。
如此往復調查、審訊，葉企孫在獄中反复解說、回憶、爭辯、檢討、坦白，在極度的恐慌與沒完沒了的坦白交代與花樣百出的折磨中，葉精神分裂症加重，身體狀況急劇下降。 “專案組”在經過花樣百出的折騰後，開始認為“葉證據不足，不能定特務”，但又不知如何處置，遂將情況上報。在周恩來的親自批示下，1969年年底，葉企孫被放出監獄，由北大紅衛兵組織對其實行“隔離審查”。也就是說，中央軍委專案組歷時一年半未能搞清的案情，將由神通廣大的紅衛兵小將們來完成。葉企孫出了監獄又步入地獄，從此落入紅衛兵手中，經受更嚴酷的煎熬。經過一陣亂拳加亂棍的摔打錘煉，葉企孫病情再度加重，前列腺肥大，小便失禁，兩腿腫脹難以站立。偶爾走動，腰彎成九十度，似一根彎曲的枯木在風雨中搖晃。再後來，葉的神經徹底崩潰，成了一個胡言亂語的瘋子。
日夕涼風至，聞蟬但益悲。自1969年出獄始，葉企孫每月只能領50元工資，吃飯穿衣皆不能足，生活淒慘。當看管的紅衛兵稍微放鬆一點，葉本能地溜出來在中關村一帶的小攤上討吃討喝兒，嘴裡不住地咕囔著別人很難聽懂的話語。當時中科院有幾個研究所已遷往北大校園所在的中關村一帶，不少與葉熟悉的朋友見到了下列一幕慘不忍睹的情景：葉企孫頭髮花白，弓著背，整個身子呈九十度直角狀，穿著一雙破棉鞋，躑躅街頭，間或踽踽前行。有時來到一家店鋪小攤，或買或向攤主伸手索要一二個明顯帶有蟲咬疤痕的小蘋果，過走邊津津津有味地啃著，碰到教授模樣或學生打扮的人，便伸出一隻枯乾的手，說：“你有錢給我幾個”。所求不過一二角而已！望者無不為之潸然。
1972年，海外友人任之恭、趙元任和學生輩人物林家翹、戴振鐸、楊振寧等著名學者陸續回國觀光時，曾分別向有關部門請求探望葉企孫，均被對方以各種說辭婉拒。幾位不明內裡的書呆子於失望之中又不甘心，設法躲開陪同人員的掌控，悄悄向北大校園家屬區探聽消息，但復被有關方面發現並加以勸阻。就在海外學人幾番探詢未果之時，卻意外從清華園得到了葉企孫好友、一代建築學大師梁思成撒手歸天的消息。