在许多冤假错案中，刘少奇案件无疑影响最大，受到举世瞩目。
刘少奇是中共中央和中华人民共和国的主要领导人之一。1968年10月中共八届十二中全会错误地通过所谓《关于叛徒、内奸、工贼刘少奇罪行的审查报告》，决定把刘少奇永远开除出党，撤销其党内外一职务，成为中国共产党历史上最大的冤案。
1966年8月，党的八届十一中全会在北京召开。盛暑季节加上紧张的气氛，使与会者都有一种异常的感觉。毛泽东的《炮打司令部——我的一张大字报》的出台，从而宣告了毛、刘几十年携手并肩、友好合作的结束。党性修养极强的刘少奇在八届十一中全会上表示：保证服从党的决议，努力去认识自己的错误，不做任何不利于党的事。尽管如此，毛泽东、刘少奇之间的团结已经无法挽回地破裂了。这对毛泽东、刘少奇来说，都是一个时代的结束和另一个时代的开始。
毛泽东和刘少奇作为中国革命的领袖，有着共同的理想，他们与许多共产党人运用集合起来的组织，经过长时间的不懈努力，改变了现代中国历史发展的进程，实现了几代人没有实现的理想：战乱息，山河一。并且把社会打扫得空前干净，初步找到了一条人民当家做主的路子。长时期的共事、交往，他们相知多年共识甚多，但同时相互间对某些问题也存在着一定的认识差别甚至工作摩擦。建国初期，他们在农业合作化问题上就有过分歧，刘少奇曾为此事还作过自我批评。刘少奇力主的新民主主义，后来也被毛泽东放弃了。50年代后期，毛泽东对刘少奇提出的既反保守，又反冒进，在综合平衡中稳步前进的正确方针就有不满，认为是给干部、群众头上泼冷水。在1958年的南宁会议上，毛泽东以宋玉的《登徒子好色赋》为喻，错误地说反冒进采取的是攻其一点，不及其余的方法，使刘少奇很下不来台。
1961年以后，重评“三面红旗”，刘少奇讲：有些地方是“三分天灾，七分人祸”，认为彭德怀意见书现在看来大部分都是事实。还讲人民公社晚办几年可能更好。毛泽东对刘少奇等人的有关言论极为不满，统统斥为“黑暗风”、“单干风”和“翻案风”。毛泽东认为，刘少奇1962年右倾，1964年形“左”实右。
1965年1月，中央工作会议讨论社教运动的“二十三条”时，刘少奇不同意社会主义教育运动的重点是整党内走资本主义道路的当权派，认为有什么矛盾解决什么矛盾好。这些看法，激怒了毛泽东，迫使刘少奇做检讨，说对毛主席不够尊重。而毛泽东则认为：“这不是尊重不尊重的问题，而是马克思主义同修正主义的问题。”对不同的意见表示了极大的反感。这个时候，毛泽东感到在政治上已不能与刘少奇合作下去。关于这一点，1970年12月18日毛在会见美国友好人士斯诺时的谈话中就提出了这个说法。
毛泽东、刘少奇某些观点的分歧和性格上的差异，也为国外学者所关注。美国著名中国问题研究专家费正清认为，在对待中国革命的某些问题上，就有两种态度。“毛泽东可以强调要在道德上追求平等主义的正义和无产阶级的美德，而刘少奇、邓小平以及他们的同僚却可以强调需要实行计划经济和求得物质进步。”“受苏联教育的刘少奇及其同僚在1956年的中共新党章里略去了‘毛泽东思想’，并且不赞成对毛搞个人迷信。”斯图尔特·施拉姆曾经指出，“刘同志在论述党并强调所有的人在党纪面前一律平等时，可以宣称‘毛泽东同志是全党领袖，但他也服从党’”；另一方面，毛在最初赞扬斯大林时可以这样提问：“如果我们没有斯大林，谁来发号施令呢？”费正清：《美国与中国》，商务印书馆1987年版，第305—309页。
费正清认为，毛泽东是主要造反者，刘少奇是主要组织者。“毛主张斗争。他要求干部为人民服务，引导他们争取解放，把他们鼓动起来，并本着群众路线的精神响应他们的活动。刘和其他党的建设者则宁可把斗争限制在一定的范围之内，使它服从于党内团结的需要，并强调把干部和党员训练成为新的优秀人才，以领导中国的改造工作。”费正清认为，建国后的毛留恋他的农民生活背景和延安时代的朴素生活，他厌恶城市生活，不放心城市的种种流弊，常常想到农民大众，认为他们的充沛的能力一旦被解放出来，就能够移山填海。这些农民是多面手，既能耕田，又会做工、当民兵，生活自给自足。毛泽东考虑政治多于经济，或重视政治而不重视经济。而刘少奇等实际组织者则认为，实现工业化需要有才干和技能，从而认识到城市里有文化有专业的杰出人才是重要的，并感到有必要兴办技术教育，以培养对现代国家能够作出贡献的专家。上述分析，未必都合情合理，但由此也可看出毛、刘之间的性格差异和观点分歧也同样引起了外国研究者的高度注意。
有学者认为，从“文化大革命”发动前后刘少奇的思想状况来看，这场“革命”与他思想中的某些认识存在着相通之处，比如注意到党员干部队伍中的蜕化变质、贪污腐化等现象，担心党被“和平演变”，因而拥护开展反修防修运动；对党和国家存在的问题也作出了过于严重的估计，夸大了阶级斗争的严峻形势；主张由工作队发动群众，开展夺权斗争，来解决基层的问题。但刘少奇与毛泽东对阶级斗争的认识还有不同，比如：对阶级斗争的范围应有所控制，不要影响到经济建设；阶级斗争要在党的领导下进行，不要打倒一切。张化：《刘少奇的悲剧与悲剧中的刘少奇》，载《回首文革》，中共党史出版社2000年版，第842—846页。刘少奇的儿子刘源在近年发表的一些文章中也坦诚地提到他父亲的某些认识误区和历史局限。
党的八届十一中全会后，刘少奇虽然感到委屈，强烈感受到党中央民主生活的不正常，对“文化大革命”表示不理解，但还是说“要跟上形势”。1966年10月的中央工作会议上，刘少奇又作了检查。毛泽东对检查出乎意料的给予了肯定的批评，并说：“基本上写得好，很严肃，特别是后半部更好。”
1967年1月13日深夜的人民大会堂，毛泽东约刘少奇谈话。刘少奇似乎已明白了这场运动的矛头所指，预感到了政治上的结局，他顾全大局，承担责任，希望能减少不必要的损失。首先他承认自己犯了错误，接着，郑重地向毛泽东提出了自己反复考虑的要求，他说：“这次路线错误的责任在我，广大干部是好的，特别是许多老干部是党的宝贵财富，主要责任由我来承担，尽快把广大干部解放出来，使党少受损失。”“辞去国家主席、中央常委和《毛泽东选集》编委会主任职务，和妻子儿女去延安或老家种地，以便尽早结束文化大革命，使国家少受损失。”当刘少奇讲完上述话时，毛主席沉吟不语，只是不住地吸着烟。过了一会儿，他才建议刘少奇认真读几本书，还介绍了德国动物学家海格尔写的《机械唯物主义》和狄德罗的《机械人》。临别时，毛主席亲自送刘少奇到门口，亲切地说：“好好学习，保重身体。”
应当说，刘少奇的态度是诚恳的、认真的，公开表明了激流勇退的打算。但这时，从刘少奇的言语中可以看出，他没有把事情想得这样糟糕，他的最坏准备是“和妻子儿女去延安或老家种地”。毛在谈话中，并没有什么实质性说明，只是刘少奇认为毛“没有批评我的错误，很客气”，刘的一家才“感到悬在心中的石头一下子落了下来”，并以为“情况也许会好起来的”。黄峥：《刘少奇的最后岁月》，中央文献出版社1996年版，第26—27页。
本来，毛泽东并没有“彻底打倒”刘少奇的意图，1966年党的八届十一中全会之后，他不仅肯定过刘少奇的检讨，还提出过开九大时要选刘少奇、邓小平当中央委员。但是，后来毛泽东的认识起了变化，这里，江青等人不断提供有关刘少奇“历史问题”的假材料，是一个重要因素。金冲及：《周恩来传》，中央文献出版社1998年版，第1953页。后来的历史表明，毛泽东把“文化大革命”继续下去的决心依然如旧。历史的颠倒，竟然连刘少奇这样历尽人间沧桑的老革命也不能理解。
1967年9月，刘少奇的子女被召回各学校，接受审查批判。王光美被捕入狱。
1978年12月，刘少奇的子女联名写信给中央，要求释放王光美。1979年1月上旬，王光美从秦城监狱被放出。
1月下旬的一天，王光美在儿子刘源、女儿刘婷的陪同下，来到富强胡同6号，看望中共中央秘书长胡耀邦，要求对刘少奇一案重新审查，做出结论。谈完话后，胡耀邦说：“少奇同志的案子是党的历史上最大的冤案，这个案子是一定要平的。但是，我们现在复查，不能像‘四人帮’那样随心所欲，想怎么说就怎么说，要逐一逐条地反驳，还少奇同志以清白。”听了胡耀邦的话，三人都倍感温暖和兴奋。回家后，被关了12年之久的王光美大哭一场。事后刘源对满妹说：“那天从你家出来，我们全家人都很振奋。我们非常感激耀邦叔叔，他是最早对我们说这个话的人……”满妹：《思念依然无尽：回忆父亲胡耀邦》，北京出版社2006年版，第281页。
1978年12月中央工作会议即将结束时，陈云得知刘少奇夫人王光美获释，立刻在家里亲切地会见她。刘少奇的儿子刘源回忆：“我母亲刚放出来，记得有一次，天气比较冷的时候，我们到了陈云叔叔家，陈云叔叔马上就见了，见了我们以后非常好。然后呢就跟我们谈，几乎我们还没有讲什么话，他就讲，说你父亲的冤案，不是你父亲一个人的，是党和国家的事情。他这个案子是要平反的大型电视文献纪录片《刘少奇》摄制组采访刘源的谈话记录，1997年。。
三中全会后，邓小平、陈云、胡耀邦等一道，积极推动刘少奇案件的复查和平反工作。12月24日，邓小平将一封要求为刘少奇平反的人民来信批送中央政治局各同志阅，并要求中央组织部研究。翌年2月5日，国家地质总局局长、前交通部部长孙大光致信胡耀邦并中共中央，建议重新审议刘少奇一案。胡耀邦、姚依林商议后，转报华国锋、叶剑英、邓小平、李先念、陈云、汪东兴批阅。
中央纪委和中央组织部共同成立刘少奇案件复查组。复查组对1968年10月党的八届十二中全会提出的刘少奇的各项“罪状”，进行了周密的调查研究工作，反复核对各种材料，向中共中央作出详尽确切的复查情况报告，用可靠的事实逐条否定了强加给刘少奇的罪名。中共中央政治局一致同意这个复查报告，据此作出关于为刘少奇平反的决议草案。1980年2月29日，中共十一届五中全会通过的审查报告和决议，恢复刘少奇作为伟大的马克思主义者和无产阶级革命家、党和国家的重要领导人的名誉；因刘少奇问题受株连造成的冤假错案，由有关部门予以平反。全会发表的公报指出：“五中全会为刘少奇同志平反，不仅是为了刘少奇同志个人，而且是为了使党和人民永远记取这个沉痛的教训，用一切努力来维护、巩固、完善社会主义民主和社会主义法制，使类似刘少奇同志和其他许多党内外同志的冤案永远不致重演，使我们的党和国家永不变色。”《三中全会以来重要文献选编》(上)，人民出版社1982年版，第441—442页。
党的十一届五中全会后，公开宣布了复查结果与决议内容，郑重为国家主席刘少奇冤案平反。
全国因刘少奇冤案受株连的有数万人，从中央到地方许多领导干部的冤假错案都有所谓“执行刘少奇的资产阶级反动路线”、“执行刘少奇反革命修正主义路线”、“刘少奇资产阶级司令部在×××地方的代表人物”等等。通过刘少奇这个在全国影响最大冤案的平反，使广大干部的思想进一步解放，平反纠正了数万人因刘少奇冤案受株连的案件，同时也推动了其他历史遗留冤假错案的平反工作。
1980年5月17日，党和国家领导人以及首都各方面的代表1万多人，来到人民大会堂，出席刘少奇追悼大会。邓小平十分沉痛地致了悼词。他说：转引自张湛彬著：《大转折的日日夜夜》（中），中国经济出版社1998年版，第101—102页。
今天，我们怀着无比沉痛的心情，悼念伟大的马克思主义者和无产阶级革命家刘少奇同志。刘少奇同志为共产主义事业战斗了一生。他是受到全党和全国各族人民爱戴的、久经考验的、卓越的党和国家领导人。
文化大革命时期，林彪、江青一伙出于阴谋篡党夺权的反革命目的，利用我们党的缺点和错误，蓄意诬陷和残酷迫害刘少奇同志。1969年11月12日，刘少奇同志在河南开封不幸病故。这是我党和我国人民巨大的损失。党中央经过周密的调查研究，根据确凿的证据，在党的十一届五中全会上，彻底推倒了强加在刘少奇同志身上的种种罪名，郑重地为他平反昭雪恢复名誉。我们党采取的这种实事求是、有错必纠的原则立场，受到全党全军全国各族人民的衷心拥护……
敬爱的少奇同志离开我们已经十多年了。林彪、江青一伙制造伪证，隐瞒真象，罗织罪名，企图把他的名字从中国革命的历史上抹掉。但是，正如少奇同志在处境最艰险时所说：“好在历史是由人民写的”，历史宣告了林彪、“四人帮”一伙阴谋的彻底破产。历史对新中国的每个创建者和领导者都是公正的，不会忘记任何人的功绩。和毛泽东同志、周恩来同志、朱德同志一样，刘少奇同志将永远活在我国各族人民的心中。
追悼大会结束时，邓小平走到刘少奇夫人王光美面前，紧紧握着她的手说：“是好事，是胜利。”话虽很短，但很有分量，意味深长。