1927年9月起刘愿庵先后任中共四川临时省委秘书长和省委宣传部主任、宣传委员会书记。1928年4月任中共四川临时省委代书记。同年6月，赴莫斯科出席党的六大，当选为中共第六届中央候补委员。六大后，刘愿庵领导了四川省委的重建工作。
1929年4月，刘愿庵发动和领导了万源固军坝起义，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。他针对反动军阀当局的劝降利诱和死亡威胁说：“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。
