Sau năm 1954, 1955, do tình hình chính trị căng thẳng, Tổng tuyển cử không diễn ra nên ông ở lại miền Bắc, thụ phong quân hàm Đại úy. Năm 1961, ông được đi học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Năm 1966, sau khi tốt nghiệp, ông về công tác tại Ban Công nghiệp Trung ương.

Vì không về quê được, ông Châu vẫn cố gắng tìm kiếm tung tích người cha Trần Văn Hương, trong khi ở miền Nam ông Hương nhầm tưởng con mình đã chết vì chiến sự. Ông Hương cộng tác với chính quyền VNCH và trở thành Đô trưởng Saigon, nhưng ông vẫn hủy đi những dấu hiệu liên lạc cũ, vì biết con ông là cộng sự Việt Minh (sẽ gặp rắc rối với chính phủ hiện tại có lập trường chống cộng sản quyết liệt). Sau khi phát hiện ra ông Trần Văn Hương đang làm Phó Tổng thống Việt Nam Cộng hòa, ông Lưu Vĩnh Châu được triệu tập tới gặp Bộ trưởng Nội vụ Ung Văn Khiêm, chờ công tác đặc biệt. Sau đó, ông được biệt phái xuống nhà máy cơ khí Trần Hưng Đạo chuyên lo chế tạo động cơ nổ 12 mã lực và cải tiến bơm cao áp con heo dầu.