“文化大革命”使各种正常秩序遭到破坏，李天佑经常连续几天工作得不到休息。繁重的工作任务，复杂多变的情况，巨大的精神压力，使他的肾病发生着急剧的变化。医生多次安排他住院治疗，他总以工作离不开而推辞，即使勉强住进医院，仍是经常在病房找人谈话，商谈工作，处理公务，或是白天出去开会，晚上回到医院，每天工作达12小时以上。肾病引发了他的腰痛和浮肿，在无法坐着开会、办公时，他就躺在办公室的活动床上处理工作。
9月14日，周恩来指示：我们的无线电技术太落后了，能不能都用半导体?为落实周恩来的指示，李天佑忍着病痛与王新亭和副总参谋长温玉成一起召集通信兵部和第四机械工业部有关领导开会，听取他们关于师以下部队半导体轻型通信装备的研制和生产情况的汇报。11月28日至12月6日，通信兵部和第四机械工业部联合召开了师以下部队通信装备半导体化轻型化会议，参加会议的有52个厂家、有关研究院所和有关军区的负责人。会议研究确定，首先将已研制出的十几种野战通信装备和配套设备逐步投入批量生产，对尚存在问题的几种机器，争取尽快过技术关。在李天佑等关注下，经过各方面一年多的努力，新产品陆续装备部队。
1969年1月，李天佑被增补为中央军委办事组成员。4月，李天佑出席中共第九次全国代表大会，并当选为中央委员。4月28日，中共第九届中央委员会政治局第一次会议通过中共中央军委成员名单，李天佑任中央军委委员。
在“文化大革命”中，尽管李天佑竭尽全力地做工作，但在当时的复杂环境中，他的一些良好愿望往往不能实现;迫于形势和压力，也曾违心地说过一些错话。为此，他时常忧心忡忡，曾写诗表达当时悲愤郁闷的心境。
1970年1月中旬，李天佑接到离职休息的命令，但在移交工作过程中，仍坚持召开会议，传达周恩来关于援外工作的指示，并提出了如何贯彻落实的意见。7月底，他接到庆祝中国人民解放军八一建军节招待会请柬，因身体状况较差，医务人员劝他不要出席。他听说一些刚被“解放”的老干部要参加，坚持抱病出席，为这些同志的复出感到欣慰。这是他最后一次在公开场合露面。
9月上旬，已陷于病危中的他多次对医务人员说：“我不行了，不要再用贵重的药，浪费国家资财!”9月27日，李天佑在北京逝世。
