1966年開始的[[文化大革命]]期間，他被打成「反動學術權威」、「特務」，備受侮辱和折磨。紅衛兵要他承認他是反動學術權威和美國特務，從此，幾乎每天夜晚都聽到牛棚裡傳出皮鞭抽打聲和張孝騫跪在地上的慘叫聲。有一次，沒頭沒腦地鞭打，竟打碎了他的一片眼鏡，他的額頭被打得血跡斑斑。第二天一早，高度近視的張孝騫照例和醫院所有的「牛鬼蛇神」們一道，被造反派們押著去醫院食堂打飯，只見他一手扶著已沒有了一隻鏡片的高度近視鏡，離開「牛鬼蛇神」大隊直向大街走去。他邊走邊斷斷續續地自言自語:「我到法院去……如果我有罪……讓法院殺頭槍斃都行……」。<ref>{{cite news|url=http://www.epochtimes.com/b5/17/1/11/n8690231.htm|title=留在大陸的中華民國院士之大結局（二）|author=張東園|publisher=大紀元|date=2017-01-11}}</ref>1972年，國務院總理 [[ 周恩來 ]] 親自過問，安排其搬入紅霞公寓。