正在这时，在莫斯科戏剧学院学习的孙维世出现在他们夫妇面前，孙是个烈士遗孤，1939年被中共中央送到苏联深造。她出于对林彪这位抗日名将的尊崇心情，常去林家。一来二去，处于感情低谷的林彪，一次竟然向孙表达了爱慕之意。孙维世感到十分惊讶：一方面林是有妇之夫，另一方面她正在攻读专业，根本没有考虑终身大事。但林彪却说：“我跟张梅感情一贯不好，我很痛苦……”他滔滔不绝向对方倾诉了家庭生活如何的不幸，最后说他和张梅很快就要分手了；他要重新建立一个家庭，希望孙放弃学业跟他一道回国。然而，孙维世是一个有志气、重事业的女性，不愿把自己的命运完全系在一个男人身上；跟大人物结婚，当夫人、做秘书，夫贵妻荣，这与她的性格大相径庭，她拒绝了林彪的苦苦追求。
林彪的家庭矛盾越来越大，终于导致双方感情破裂，最后不得不在异国分手，各奔前程。
关于张梅的下落，有两种说法：一说张梅与林彪离异后，根本不愿意再回国。另一种说法是林彪让她好好学习俄文，将来给他当翻译，等她学成回国时拍电报，他去迎接。孰是孰非不得而知，可张梅留在苏联是事实。
1942年秋罗荣桓赴苏联治病。林彪写了一封信，托罗荣桓夫妇捎给仍在苏联的张梅。信中的内容大致是说他已经另外成家，并有了一子一女，劝张梅另行择偶。这一切都是张梅预料中的事。不久以后，她就在苏联另行择偶，与林彪的关系就此划上了句号。
至于小琳，长大以后就读于哈尔滨军事工程学院。“文革”期间，她也参加了群众组织。叶群对小琳心怀嫉恨，便假借林彪的名义写了一封公开信，在哈军工大量散发，宣称“小琳一贯反对我(林彪)，她在外的一切言行并不代表我，我一概不负责。”以后，叶群又指使吴法宪派人把小琳送到大西北沙漠中的某基地。但倔强的小琳并未就范，设法逃了出来。叶仍不死心，又把她送到西南某地部队里。可以说，小琳实际上已不是林家的成员了。
