1966年5月，中共中央政治局擴大會議決定重新設立中央文化革命小組，取代中央政治局和中央書記處領導文化大革命。6月1日，新華社全文廣播北大聶元梓等人的大字報，曆時十年的“文化大革命”就此拉開序幕。清華大學也未能幸免，一開始是正常的教學科研被打亂，進而便成為“文革”的“重災區”。政治風雲驟變之後，清華師生被迫停課參加運動，大批教授學者被打成“黑幫”挨鬥。
6月，在外考察的張光鬥接到要他回校參加文革的命令。一回到清華，他就被革命群眾揪了出來，掛上“反革命”的牌子，在台上罰站，接受批判。當時，清華大學的校長蔣南翔也被停職反省，水利係的骨幹“一李四張”即李恩元、張光鬥、張思敬、張永良和張憲宏都遭到了批鬥。每天，張光鬥除了被批鬥，就是掏糞坑、洗便桶。那個時候，他唯一的收獲就是有比較充裕的時間學習毛澤東著作。
1968年夏，武鬥停止，由軍宣隊、工宣隊進校全麵領導學校工作。工宣隊的成員大多是北京工廠的普通工人。
工宣隊領導清華師生學習毛主席著作和中央“文革”領導小組的文件，白天學習還不夠，有時晚上還加班學習，批判劉鄧資產階級當權派的反革命路線。深更半夜也會突然接到中央“文革”領導的最新指示，廣播喇叭呼叫集合，全體人員都得起床跑到係裏去列隊遊行，然後認真學習最高指示。如果稍有遲到怠慢，則以反對“中央文革”論處。那段時間，張光鬥的頭上始終帶著資產階級反動學術權威的帽子，身心備受摧殘，但他仍相信共產黨總會弄清真相的。
1968年夏，張光鬥得知密雲水庫白河電站的兩台1.5萬千瓦抽水蓄能發電機組壞了——由於密雲水庫是毛主席視察過的，所以當時認為不能用進口貨，就由天津機器廠根據外國貨仿製了兩台，可是質量不過關，很快就壞了。為了保證9萬千瓦發電量的白河抽水蓄電站正常發電，張光鬥曾多次建議暫時進口或自製兩台機組。可是電力局並未采納他的意見，結果電站發電量大大減少。
這時，還發生了一件讓張光鬥痛心的事。“文革”前，他花了四年多時間寫好的專著《水工建築物》，本來即將由科學出版社出版發行的。哪知“文革”一來，因為張光鬥是資產階級反動學術權威，他的書稿便被擱置，無法出版。科學出版社把書稿退到係裏，卻被工宣隊的領導給扣押了。他眼睜睜看著花了無數心血寫成的書稿放在那裏，卻拿不回來。後來，工宣隊竟命人把書稿燒掉！當然，這也沒有通知張光鬥本人。
同年冬，清理階級隊伍時，工宣隊根據張光鬥過去的學習工作經曆，給他扣上了國民黨特務、美國特務和蘇聯特務嫌疑的帽子。他被揪到王家園水庫批鬥，還威脅他，要他揭發其他人是國民黨。張光鬥自己深受迫害，但絕不說瞎話害人。次年，遲群做報告，說要在江西辦農場，動員教員前往，很多教師的申請都得到了批準，但張光鬥卻被拒之門外。
1970年，張光鬥患了肺結核，被批準留校治病。病愈後，軍宣隊把他放到三門峽辦學基地進行監督勞改。辦學基地設在市區的一個院子內，批鬥審訊成了無休止的身心折磨，勞改乏味透頂。
1971年，陝縣張卞公社修建水利，缺乏指導工程師，就把張光鬥叫了過去。大病初愈的張光鬥拖著疲憊的身體從三門峽步行到陝縣。工地上給他住的是一個破窯洞，沒有門，沒有床，隻有一堆爛稻草。張光鬥隻好把鋪蓋包袱掛起來做門簾，棉被就直接放在稻草上。那裏的水含氟，喝了會得大骨節病。張卞公社修建水利就是為了灌溉農田，發展生產，改善生活。沒有鑽機，沒有水文資料，張光鬥和當地農民一道上高山下土坑，勘測壩址、檢查隧洞。漸漸地，他和公社社員有了感情。大家很關心他，工地的夥房做高粱米飯，怕他咬不動，總特意煮得爛些，還給他加了糖精。經過幾個月的工作，不但水利建成了，張光鬥和工農兵、民工兄弟也結下了深厚的友誼。由於專心工作，他的精神狀態很好，高粱米飯也使他的身體恢複得較好。離開工地時，公社張書記特意派拖拉機送他到火車站，還送了酒和禮品給他。張光鬥退回了禮品，但那份真情銘記在心。“文革”後，張書記還曾去北京看望張光鬥。