Trong tình hình cực kỳ căng thẳng hồi cuối năm 1946, khi thực dân Pháp luôn luôn gây hấn, kích động các đảng phái phản động chống Chính phủ Liên hiệp kháng chiến, Nguyễn Văn Luyện nhanh chóng viết và cho in một cuốn sách nhỏ, lên án chính sách thuộc địa mới của chính phủ De Gaulle và phanh phui thủ đoạn phỉnh phờ lôi kéo giới trí thức Việt Nam, hòng lập lại nền thống trị của Pháp.

Lo lắng bọn thực dân hiếu chiến và bè lũ phản động có thể manh động trả thù, Hồ Chí Minh thông qua Hoàng Minh Giám, lúc ấy đang giữ chức thứ trưởng nội vụ và là bạn thân của bác sĩ Luyện, đề nghị cho tổ chức đưa cả gia đình ông tản cư ra vùng an toàn ở ngoại thành nhưng ông trả lời trang nghiêm như một lời thề: “Hai con trai tôi, sinh viên y khoa, là tự vệ thành, đã quyết tử thủ. Tôi là bác sĩ, quyết không rời chiến sĩ”.

Khoảng 8g tối ngày 19 tháng 12 năm 1946, điện thành phố phụt tắt. Tiếng đại bác từ pháo đài Láng gầm vang, bắt đầu cuộc toàn quốc kháng chiến. Ông và hai con trai cầm vũ khí trực tiếp chiến đấu với quân Pháp và hy sinh ngay trong đêm tại nhà riêng 65 Lý Thường Kiệt, Hà Nội

Nhiều năm sau chiến tranh, Hồ Chí Minh vẫn còn quan tâm đến gia đình người bác sĩ đã tận hiếu với dân, tận trung với nước. Người ra những chỉ thị trực tiếp để các con gái bác sĩ Luyện được ăn học đến nơi đến chốn và có công ăn việc làm thuận lợi.

Năm 1953, ông được truy tặng danh hiệu Liệt sĩ và Huân chương Kháng chiến hạng Nhất.