刘厚总下山后，先到太平县的隔河里找到保长。这个保长搜走他带去的武器和财物，但不相信他杀了项英、周子昆。刘转身又跑到泾县的茂林镇，找到国民党军政部第十一卫生大队的担架连。但连长王惠九也不相信他。刘又跑到旌德县的玉屏乡，改名李正华，冒充第三战区的特务密查员，要求乡公所送他到第三战区司令部。玉屏乡公所将他押解到旌德县政府。
县长李协昆在一再审问后，于4月28日派特种工作行动队队长陈思新等人由刘带路，到蜜蜂洞去查看。因为项英、周子昆的遗体和负伤的黄诚早已被转移，只看到洞里留有洋烛、棋子、梳子。此时，中共泾旌太中心县委书记洪林听村民说刘来了，想在蜜蜂洞附近击毙这个叛徒。刘发现有人伏击，仓皇逃跑，又到太平县城，投奔国民党县党部。太平县党部将他押送到在休宁县屯溪镇(今黄山市)的国民党安徽省党部皖南办事处，接着又移送皖南行政公署，继续审问。
1943年冬，皖南行政公署将刘厚总押送重庆。他被关入军统局的渣滓洞看守所，一关又是5年。直到1948年，国民党政权风雨飘摇，才将他释放，给一笔钱，让他回原籍。但刘最终未敢回原籍。刘先到江西省九江市一个盐铺当伙计。1949年5月，中共已向江南一带进军，九江处于解放前线，非安身之地。于是，刘就去江西新余县的一个湖南老乡开的兴记盐铺当管账先生。
1952年7月28日，刚从中共部队下来的新余县公安局副局长黄宜蕃，大清早起来就急忙召集十几名公安人员开会，宣布对住在城西兴记盐铺的账房先生立即逮捕。原来，新余县公安局开展全城户口核对工作时，黄到城西兴记盐铺核查，蓦然发现管账先生好面熟，经反复盘问，发现账房先生并不是本地人，且回答问话前后矛盾，这引起黄的高度警惕。黄觉得此人像自己当年在新四军里给周子昆副参谋长当警卫员时，常常见面的项英副军长的副官刘厚总。
陈毅闻悉当年杀害项英、周子昆的凶手落网后，当天给江西省委书记陈正人打电话，指示公安政法部门尽快结案，处决这个罪大恶极的叛徒。同一天，华东军政委员会副主席谭震林也给江西省委拍发了及早严惩叛徒的电报。1952年8月初，刘厚总在江西南昌被处决。
