１９２９年２月，在成都召开临时省委扩大会议，刘愿庵传达党的六大精神，会议正式选举刘愿庵任中共四川临时省委书记。１９２９年４月，他发动和领导了万源固军坝起义，在川东地区树起了一面武装斗争的旗帜。同年６月，领导了邝继勋、罗世文等发动川军第二十八军第七混成旅的遂（宁）蓬（溪）起义，成立了中国共产党四川工农红军第一路总指挥部。中共四川省委正式成立后，刘愿庵任省委书记。
１９３０年５月５日，由于叛徒出卖，刘愿庵在重庆被捕。军阀刘湘早知刘愿庵的才华和他在我党中的地位，妄图收买他，以“院长”“厅长”等高位和每月薪俸二百元大洋为诱饵，要他脱离革命，退出共产党。刘愿庵坚决拒绝了反动军阀当局的劝降利诱和死亡威胁，保持了共产党人的崇高气节。他针对反动派的诱降说：“信仰不同，不可能同路。共产党追求的是真理，共产主义是历史的必然趋势。这不是什么歧途，而是一条光明之路！”
５月６日，在敌人的军事法庭上，刘愿庵神态自若，把法庭当讲台，宣传党的主张及共产主义真理。当敌人的军法官询问他的姓名和职业时，刘愿庵昂首挺胸，理直气壮地答道：“全世界无产阶级的斗士、中国共产党党员、四川省委书记刘愿庵。”在拒绝敌人的劝降和进行法庭上的斗争后，刘愿庵深知敌人将会置自己于死地。临刑前一天，他给爱人和姐夫写了遗书，在最后不忘鼓舞妻子：“不要伤痛，努力工作，我在地下有灵，时刻是望着中国革命成功，而你是这中间一个努力工作的战斗员！”
１９３０年５月７日，刘愿庵高呼着“中国共产党万岁”“共产主义万岁”的口号，英勇就义，时年３５岁。
如今，刘愿庵写给姐夫的遗书藏于重庆三峡博物馆，这封遗书长２９厘米，宽２４厘米，毛笔书写，历经沧桑依然闪耀着信仰的光芒。“此身纯为被压迫者牺牲，非有丝毫个人企图。”刘愿庵的初心和理想跨越历史继续激励着后人。
