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