پیروز دوانی برای بار نخست در شهریور ۱۳۶۱ و به جرم هواداری و ارتباط با «سازمان جوانان حزب توده» بازداشت شد و به مدت ۷ ماه در زندان بود. آن سال‌ها اعضای این حزب از سوی حکومت جمهوری اسلامی تحت فشار بودند. 

او پس از آزادی به فعالیت‌های سیاسی خود ادامه داد. حمایت از خانواده‌های زندانیان سیاسی از جمله فعالیت‌های پیروز دوانی در این سال‌ها بود.

او دومین بار در تاریخ ۱۲ اسفند ۱۳۶۹ بازداشت شد. او ۶ ماه در سلول انفرادی بند زندان اوین بود و پس از آن در دادگاه به ۳ سال و ۵۰ ضربه شلاق محکوم شد. 

او دوران حبس را به صورت کامل گذراند و زمستان ۱۳۷۳ آزاد شد؛ اما این آزادی نیز مقدمه‌ای بود برای فعالیت در همان راستا. به گفته «پروانه فروهر»، از جمله تلاش‌های پیروز دوانی؛ «جمع‌آوری اسامی اعدامی‌ها، ارتباط با خانواده‌ اعدامی‌ها، و تلاش برای حضور بیشتر خانواده‌های قربانیان سرکوب دهه‌ شصت» بود.

پیروز دوانی میزگردی را در خرداد ۱۳۷۴، پیرامون «علل وجود نابسامانی‌ها در جامعه و چگونگی رفع بحران عمومی در جامعه»، با شرکت «ابراهیم یزدی»، «عزت‌الله سحابی» و «حبیب‌الله پیمان» برگزار کرد و خودش نیز به عنوان یک هوادار جبهه چپ و سوسیالیسم در آن شرکت کرد.

او به گفته خودش به دنبال نزدیک‌تر ساختن جریانات سیاسی و گروه‌های اپوزیسیون داخل کشور بود.

متن این میزگرد به صورت زیراکس در سطحی گسترده و به‌طور علنی از طریق شرکت پژوهشی «پیام پیروز» متعلق به پیروز دوانی منتشر شد. 

چند ماه پس از برگزاری این میزگرد، پیروز دوانی در تاریخ ۳ شهریور 1377، از خانه‌اش به قصد رفتن به منزل خواهرش خارج شد و دیگر بازنگشت.

نخستین خبر در رابطه با او، به نقل از «داریوش فروهر» دبیرکل وقت حزب «ملت ایران» در رادیوهای خارج از ایران منتشر شد و گفته شد که وی توسط ماموران وزارت اطلاعات جمهوری اسلامی ایران ربوده شده ‌است.

از آن زمان تاکنون اثری از پیروز دوانی ‌به‌دست نیامده و قوه قضاییه هم قتل او را تایید نکرده ‌است، اما بر اساس اعترافات متهمان قتل‌های زنجیره‌ای که بعدها در دادگاه برای از تصفیه وزارت اطلاعات و پاک کردن رسوایی «قتل‌های زنجیره‌ای» صورت گرفت، متهمان که کارمندان وزارت اطلاعات بودند، گفتند پیروز دوانی در همان روز 3 شهریور 1373 به قتل رسید و جنازه‌اش در کنار خطوط راه‌آهن سوزانده و دفن شد.

«امیرفرشاد ابراهیمی»، دانشجو و فعال سیاسی، دی‌ماه ۱۳۸۲ در دانشگاه علوم پزشکی تهران در جریان سخنرانی‌ که در پاسداشت زندانیان اصلاح‌طلب زندانی برگزار شده بود، اعلام کرد که پیروز دوانی با حکم «محسنی اژه‌ای» دادستان کل کشور به قتل رسیده ‌است. او در همان سخنرانی با شرح ماجرای ربایش و قتل پیروز دوانی، پرسید که چرا به این مساله رسیدگی نمی‌شود؟

به دنبال این اظهارات، محسنی اژه‌ای در مصاحبه با «خبرگزاری ایرنا» موضوع را تکذیب کرد و اعلام کرد که این مطالب کذب است. 

سپس انجمن اسلامی دانشگاه علوم پزشکی تهران، محسنی اژه‌ای و امیرفرشاد ابراهیمی را به مناظره دعوت کرد، که محسنی اژه‌ای این دعوت را نپذیرفت. 

امیرفرشاد ابراهیمی بعدها این ماجرا را در سایت خود اینگونه شرح می‌دهد؛ «بعد از آن سخنرانی از سوی آقای علی ربیعی (معاون وقت وزیر اطلاعات) برایم پیغام آمد که نزد او بروم، و وقتی رفتم، ایشان گفتند که موضوع پیروز دوانی پیچیده‌تر از این حرف‌هاست و تو هم به اندازه کافی مشکل برای خودت داری، و پایت را از این ماجرا بکش بیرون که خیلی خطر دارد. من هم به ‌خاطر مشکلات بسیاری که آن روزها داشتم، موضوع را رها کردم.»

همچنین در گزارش «دیدبان حقوق بشر» آمده که «اکبر گنجی»، روزنامه‌نگار منتقد، محسنی اژه‌ای را صادرکننده دستور قتل پیروز دوانی دانسته‌ است، و «عبدالله نوری» وزیر کشور دولت «محمد خاتمی» و «عمادالدین باقی» دیگر روزنامه‌نگار ایرانی نیز محسنی اژه‌ای را آمر اصلی قتل پیروز دوانی دانستند.

«حسین دوانی» برادر پیروز دوانی هم در مصاحبه با بخش فارسی «صدای آلمان»، اظهارات اکبر گنجی و امیرفرشاد ابراهیمی درباره نقش اصلی محسنی اژه‌ای و کارمندان وزارت اطلاعات را تکرار کرد و گفت بود؛ به خانواده او هم همان پیغام مشابهی را داده‌اند که به امیر فرشاد ابراهیمی داده بودند و تهدید کردند که پیگیر جزییات مرگ برادرش نباشد.