1949年11月27日，刘光典将一批重要的国民党当局军事情报隐藏在一包茶叶中送回香港，并由相关人员转报中央。刘光典取回的情报非常重要，其中包括国民党当局在台湾西海岸各军事要地驻军、防卫情况，基隆、高雄两地军事要塞通讯密码，台湾地区气象、海象等重要军事绝密情况。
1949年12月12日，中共中央派出赴台情报组负责人洪国式进入台湾。他和整个工作组人员又收集到更多国民党当局的军事、政治、社会、气象等多方面情报。为取回这批重要的情报，1950年1月6日刘光典再次被派往台湾。
此时台湾的形势更为严峻，国民党当局集中一切力量，抓获大批在台中共地下工作者及进步力量。由于洪国式情报组是中共中央派入台湾的最重要情报组，蒋介石、蒋经国对此十分重视，派当时台湾“保安司令部”司令彭孟缉亲自察办。彭孟缉派人打入洪国式情报小组，暗中监视他们的情况。
1949年底，国民党当局破获中共台湾省工委、抓捕中共在台湾的各级组织领导人及大批中共地下党及进步人士后，台湾省工委书记蔡孝乾(台湾彰化人，参加过两万五千里长征的老红军)叛变。1950年2月28日，国民党当局统一行动，破获洪国式情报组，再次抓捕仍在坚持斗争的中共在台地下工作者及进步人士。洪国式情报组成员及有关人士全部被捕。
此时，刘光典正好从台中市到达台北市，准备取得出台证，带着新收集的情报返回香港，因而逃脱了抓捕。于是，国民党当局封锁了交通要道及机场、港口，并派出大量军警加紧搜捕他。此时，刘光典已无法返回香港，但他临危不惧，及时处理了有关文件，设法向组织报警，并在台湾籍共产党员王耀东等人的掩护下，逃入台湾南部旗山深处躲避。他掘地为穴、以野菜野果充饥，过着类似原始人的生活，在长达4年的时间里坚持斗争。无论条件多么恶劣，刘光典始终忠于党、忠于革命事业。不仅如此，他还劝告个别发生动摇的同志，坚定信念，坚持斗争，准备迎接解放军解放台湾。在此期间，刘光典还在与台胞的接触中，处处宣传中国共产党的正确主张，与台胞同甘共苦，结下深厚友谊。
1954年2月9日，另一名坚持斗争的共产党员胡沧霖被捕，供出在深山中躲避的刘光典和王耀东。国民党当局立即纠集大批军警，包围这一地区，并在山中搜捕。得到消息的刘光典二人立即转移，但终于寡不敌众，于2月13日被捕。刘光典被捕后，誓死不降。国民党当局把他关进军法处监狱，对外使用离间计制造假象，宣称刘光典已“弃暗投明、为党国效忠”，并派出一名与刘光典相像的特务潜入大陆活动。此时，刘光典被外界误解为已叛变。为此，刘光典在大陆的妻子王素莲与三个子女受到影响，生活艰苦。在误解与不幸的压力下，本来身体就不好的王素莲，1955年10月18日因心脏病去世，享年仅32岁。
