同济大学很早就建有中共地下组织，刘宗歆在党的教育和影响下，抗日救国的进步思想逐渐形成。为了迫使国民党政府停止内战，出兵抗日，1931年9月下旬到12月，上海大学学生抗日救国联合会曾三次组织数千学生赴南京请愿。刘宗歆参加了其中的两次。

　　1937年8月13日，日寇进犯上海，上海军民奋起抵抗，伤亡较重。同济大学的学生积极响应救国会的号召，参加救护伤员、救济难民等活动。医学院还建立起红十字会临时重伤员医院，师生们紧张地投入到该医院抢救伤员的工作中。随着上海的失守，同济大学开始内迁。医学院的学生分三路迁内地，一路上边迁移边掩护伤员转移。刘宗歆积极参加了这些活动。

　　1938年7月，刘宗歆参加了中国红十字会总会救护总队金华大队第6中队第67医疗队，任医师。该队在金华组建后，经淳安、屯溪、黄山、太平至安徽泾县云岭新四军军部。67队由3名医师10余名护士、护理人员组成。到军部后又分成3个小组，刘宗歆带领一个组到山河口军部后方医院，在那里与新四军的医务人员并肩战斗。

　　刘宗歆在军部后方医院主持外科及传染科（主要是肺结核）的医务工作，同时还兼任新四军军部高级护士训练班《简易外科学》教师。在一般情况下，上午查病房，下午做手术，少则四、五例多则10余例。前方有伤员送来时，随时进行抢救和手术。在军部后方医院工作的2年多时间里，他还曾2次冒险回上海筹集药品和器械。

　　当时医疗队的人员与新四军的医务人员不仅工作上互相配合，而且一起参加政治和业务学习，在一起搞文化娱乐活动，亲密无间，形同一家。开文娱晚会时，刘宗歆常表演口琴吹奏。有次去上海筹集药品返回后方医院时，受到了热情欢迎，刘宗歆报告上海的情况，会场里高呼口号：“欢迎刘大夫，我们要加紧学习！”。1940年元旦，副军长项英主持干部午餐会，刘宗歆与另一位医疗队的医师也应邀参加，项英等亲切接见了他们，并摄影留念。

　　刘宗歆在新四军军部后方医院工作期间，热情关心伤病员，努力解除他们的痛苦。对工作不管份内份外，只要需要，一样主动承担。如有一时期部队战士受疟疾之害，他就主动配合内科，参加防治疟疾的工作，有位女同志要临产了，他就担负起接生的任务。他的良好医德和精湛医术，在新四军后方医院有口皆碑，伤病员热情地称赞他是一位正直、爱国的好医生。

　　这时，他也已深深地感到共产党、新四军是真正为人民大众的，是真正带领广大人民群众抗击日寇的。他萌发了参加新四军，跟共产党走的决心。1940年春，在又一次回上海筹集药品和医疗器材时，就把妻子和一子一女接到皖南新四军军部后方医院驻地。在工作之余，教妻子学习简单的医药护理知识，并让她参加一些包扎、换药等护理工作。同时，向妻子宣传共产党、新四军抗日救国的政策，以便一旦时机成熟，就可以一起申请参加新四军。可惜这愿望由于情况的变化而未能实现。

　　日本帝国主义在妄图用枪炮武力迅速征服中国的迷梦破灭后，灭绝人性地搞细菌战。1940年在浙江、湖南等地散布带有鼠疫细菌的跳蚤，使那里的不少地区蔓延起鼠疫恶症。

　　此时，刘宗歆正由皖南回到金华，奉命担任第312医疗队队长，率队奔赴浙江衢县，投入到扑灭鼠疫的新战斗中。1941年秋冬，义乌也发生鼠疫。由于鼠疫的传染力极强，在防治鼠疫的医务人员中极易感染。刘宗歆毫不惧怕，当义乌出现鼠疫需要组建去义乌防治的医疗队时，他主动请战，率队前往。刘宗歆经常对医务人员讲：大敌当前，为国家、为人民，要有爱国思想和献身精神，要有无所畏惧的气概。并以身作则，深入到疫情最严重的地区。在与鼠疫作斗争时，他不拘泥于一般原则，而是根据当时当地的具体情况，开展工作。

　　1941年底的一天傍晚，刘宗歆刚吃过晚饭，正要回宿舍时，有一位老太太前来请刘大夫给她的女儿看病。刘救人心切，当即赶到现场，方知病人患的是肺鼠疫，在救治的过程中，刘宗歆不幸感染了病毒。由于延误了治疗时间，经抢救无效，刘宗歆不幸于1941年12月30日晚上8时以身殉职。牺牲时年仅29岁。

　　全国解放后，由上海国泰影片公司摄制了以刘宗歆为原型的电影《生命交响曲》。1986年1月，上海市人民政府追认刘宗歆为抗日战争中牺牲的革命烈士。