1924年生于江西省萍乡市安源煤矿。
1938年，被接到延安，进入延安保育小学就读。
刘少奇同刘允斌、刘爱琴在一起1939年，和妹妹刘爱琴一起赴苏联，进入莫斯科莫尼诺国际儿童院学习。
1940年入苏联十年制中学学习，并加入中国共产党。
1945年夏，考入莫斯科钢铁学院学习。
1946年，考入莫斯科大学化学系，学习核放射化学专业。其间担任中国留苏大学生同乡会会长。
1949年，与受中共中央和毛泽东委托秘密出访苏联的父亲刘少奇相逢。
1950年，考取莫斯科大学化学系研究生，继续攻读核放化专业。同年，与俄罗斯的玛拉·费拉托娃结婚。
1951年，刘允斌和玛拉夫妇曾回中国度假，住了两个多月。
1952年，生女索尼娅（中文名苏苏）
1955年，生子阿廖沙（中文名辽辽）
1955年，获得副博士学位。此时接到刘少奇的来信，信中说“祖国和人民等待着你的归来。在个人利益和党的利益发生冲突的时候，我相信你一定能无条件地牺牲个人的利益而服从党和国家的利益。”后进入莫斯科大学化学研究所担任高级研究员。
1957年10月，回到北京，在国家二机部所属中国原子能研究所工作。
1962年，调到内蒙古包头市郊外的202厂，组建中国原子能研究所第三研究室，并担任主任，负责新型热核材料的研制工作。文化大革命中受到迫害。
1967年11月21日在包头逝世。
1978年得以平反，恢复了作为中共党员和核化学专家的名誉。
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