刘向第三子。少时通《诗》《书》，能属文。汉成帝时任黄门郎。河平三年（前26），受诏与其父刘向校理秘书，于六艺传记、诸子诗赋、数术方技，无所不究。刘向死后，歆继父任中垒校尉。哀帝初即位，大司马王莽举歆为侍中大夫，迁都骑尉，奉车都尉、光禄大夫。王莽篡位之后，刘歆任国师，帮助王莽实施带有强烈复古色彩的政治改革。后赤眉、绿林起义，王莽政权动摇。刘歆谋弒，事败自杀。

刘歆治学范围比较广，其主要成就集中在校雠学和古文经学两方面。校雠学方面的代表作是《七略》，班固《汉书·艺文志》主要依据刘歆此书删补而成。《七略》今已不存，从《汉书·艺文志》可以窥其大略。《七略》分为《辑略》《六艺略》《诸子略》《诗赋略》《兵书略》《数术略》《方技略》。《辑略》总括其他六略大义。《六艺略》分为易、书、诗、礼、乐、春秋、论语、孝经、小学九类，《诸子略》分为儒、道、阴阳、法、名、墨、纵横、杂、农、小说十类，《诗赋略》分为屈原赋、陆贾赋、孙卿赋、杂赋、歌诗五类，《兵书略》分为兵权谋、兵形势、兵阴阳、兵技巧四类，《数术略》分为天文、历谱、五行、蓍龟、杂占、形法六类，《方技略》分为医经、经方、房中、神仙四类。各大类之前有大序，小类之前有小序，叙述这一类的学术源流。每类之中约略按照时代先后编次，个别书籍又有互见、别裁之分。这种分类方式，体现了汉代的学术格局。

刘歆在宫廷之内校理群书之时，有机会接触到一部分战国文字（所谓古文）写成的典籍，以及阐释这些古文典籍的传说，刘歆于古文《春秋左氏传》情有独钟。他往往引《左氏》以解《春秋》，转相发明，于是章句义例兼备。汉哀帝时，刘歆受到重用。刘歆建议立《左氏春秋》《毛诗》《逸礼》《古文尚书》等古文经传于学官，遭到当时在位博士的抵制。刘歆移书责让太常博士，却遭到更为激烈的反对。于是出为河内、五原、涿郡太守，后以病免官。哀帝死后，王莽执政，刘歆为右曹太中大夫，迁中垒校尉、京兆尹，封红休侯，典儒林史卜之官，考订律历。著《三统历谱》。

刘歆倡导古文经学，开汉代经学新风。一方面使得古文经学的地位上升，获得了更多知识阶层的关注；另一方面古文经学作为王莽政治改革的理论资源，获得了前所未有的政治地位。但他将古文经学和政治联系得过于紧密，王莽的政治改革失败之后，古文经学也饱受诟病。以至有人怀疑刘歆伪造古文经书，成为他一生的污点。