刘允斌出生于江西省萍乡市安源煤矿，由于革命工作的需要，后来被送回宁乡县炭子冲刘少奇老家。
刘少奇和何宝珍在广州工作时，曾短暂地把刘允斌接到身边，但是很快他又被送回了老家。
1939年9月，周恩来去苏联疗伤，将14岁的刘允斌带到莫斯科国际儿童院学习和生活。1945年，刘允斌在苏联加入中国共产党。
刘允斌到苏联学习后，期间几年一直没见过父亲刘少奇，一直到1949年8月，刘少奇秘密出访苏联，父子两人才短暂见了面。
1950年，刘允斌在莫斯科与大学同学玛拉·费多托娃结婚，两人感情很好，婚后生下女儿索妮娅和儿子阿廖沙。
1952年，刘少奇应邀出席苏共十九大，在苏共领导人的陪同下，与刘允斌一家人见了面。阿廖沙后来回忆说，一生也就只那一次见到了爷爷，后来再也没见过。
1955年，刘允斌获莫斯科大学核物理专业副博士学位。当时中国驻苏大使张闻天曾问起刘允斌，毕业后去哪里？刘允斌说，回祖国，造原子弹。
1957年10月，刘允斌吻别妻儿，踏上了回国的旅程。自此后，两人一直过着分居生活。回国后，刘允斌在内蒙古包头参加了我国第一颗原子弹的研制工作。
没多久玛拉带索妮娅和阿廖沙来中国居住了10余天，可玛拉并不适应中国的生活，而刘允斌也不能放弃祖国的事业重新回莫斯科，两人只好离了婚。
后来由于中苏关系紧张，玛拉母子与刘允斌彻底失去了联系。
离婚后，刘允斌一心扑入研究工作中。终于通过他与团队的不懈努力，1964年10月16日，中国第一颗原子弹终于爆炸成功了，喜讯传到202厂，刘允斌全身热血沸腾，纵情欢呼：爆炸了，中国人研制的原子弹终于成功了！
可惜幸福没有延续很久，运动来临后，刘少奇被扣上了帽子，刘允斌自此开始了梦魇般的生活。
1967年11月21日，一个风雪之夜，刘允斌选择结束了自己年轻的生命。他去世时，仅仅43岁。
1987年，玛拉母子得知这一不幸的消息时，已事隔20年。玛拉一直挂念着刘允斌，但由于一些外在原因，玛拉一直没能来中国。
一直到1990年，玛拉才能再次来到中国，来到了八宝山刘允斌的墓前，深切悼念他......
