随着革命形势的发展，特别是北伐战争即将开始，为加快发展军事航空，广州国民政府决定由苏联顾问李縻带队，从第一期航校学员中选送6人赴苏联接受高级飞行训练。在中共广东区委的推动下，刘云、冯洵、王勋、唐铎、朴泰下6名共产党员和进步青年首批赴苏联学习。1925年8月，他们离开广州，途经上海，远涉重洋，开始出国求学深造之旅。10月，刘云等进行莫斯科南郊的空军第二飞行学校学习。在校期间，中国学员除了学习飞行理论和驾机原理外，还学习、实践驾驶飞机技术。他们从驾驶苏制教练机“乌—1”型飞机开始接受培训。训练十分严格，一般学员要与苏联教官同机驾驶飞机上天几十次后，再单独驾机飞行30次，经过考核后，合格者可进入驾驶“P—2”型飞机和“P—1”型战斗机的学习和训练，只有圆满完成和掌握这三种机型飞行技能的学员才能成为合格飞行员。
一年后，刘云由于身体原因不能继续飞行，转入苏联红军陆军大学（即伏龙芝军事学院）学习，与刘伯承、左权、屈武等成为同班同学，并担任党支部书记。不久接到母亲病逝的家信，他以学业为重，没能回国奔丧。在寄回的《追悼吾母感言》中写道：“为国忘家，大义所在，子能以爱父母之心，爱中国、世界；痛母死之情，痛社会上被压迫将死之群众。牺牲个人身家，一切努力奋斗。”1930年5月，刘云与刘伯承、左权等回国工作，被任命为中共中央长江局军委委员兼中央军委长江办事处参谋长，组织和领导了鄂东南等地区的工农武装斗争，并将鄂东南地区的工农武装斗争力量整编为红25军。为秘密做好军事暴动，刘云不顾自身安危、冒着风险亲自到龟山、蛇山等处勘察地形，制定暴动计划，同年9月因叛徒出卖被捕。
蒋介石闻此消息，十分高兴，他向来宠爱、重用黄埔军校第一期的优秀学生，刘云曾是黄埔军校一期学生队的第四队队长，又是航空学校的党代表。蒋介石决定连夜乘坐飞机从南京飞往武汉，亲自与刘云谈话，许以高官厚禄进行诱降。但刘云面对曾是自己校长的无耻劝降，大义凛然、不为所动，并痛斥蒋介石屠杀共产党员的滔天罪行，是孙中山民主革命的无耻叛徒，羞于与其为伍。蒋介石恼羞成怒，继以杀头相威胁，9月6日亲下第十一号密令杀害了刘云。刘云为革命事业献出了宝贵生命，当年仅30岁。刘云的牺牲在黄埔军校师生中引起一片震动，人们难免为刘云这样一位年轻有为的军事航空人才过早地被蒋介石杀害而深感遗憾。
