西汉沛县(今属江苏)人，字子骏，后改名秀，字颖叔。刘向之子。成帝时以通《诗》、《书》，能属文，召为黄门郎。河平元年(前28)，奉命与父向领校秘书，讲六艺传记，举凡诸子、诗赋、数术、方技无所不究。后为中垒校尉。哀帝初，大司马王莽荐为侍中太中大夫，迁骑都尉，奉车光禄大夫，贵幸。复领校《五经》，卒父前业，总群书而类别为《七略》。建平元年(前6)建议立《周礼》、《左传》、《毛诗》、《古文尚书》等古文经于学官。遭今文学博士反对，因移书太常博士责之，语甚激切。由此触犯执政大臣，出为河内太守。后历任五原、涿郡太守，安定属国都尉。平帝时王莽执政，征入为右曹太中大夫，迁中垒校尉、羲和、京兆尹，封红休侯。使治明堂、辟雍，典儒林史卜之官，考定律历。又与甄丰、王舜等称颂王莽功德，议立安汉、宰衡之号。莽代汉，拜国师，封嘉新公。后谋诛王莽，事泄，自杀。著《三统历谱》，计算出圆周率为3.1547，世称“刘歆率”。原有著作已佚。明张溥辑有《刘子骏集》，收入《汉魏六朝一百三家集》。