清光绪十七年（1891年）出生于江苏江阴城内清贫的知识分子家庭，自幼聪慧过人，6岁能作对联、咏诗。
清光绪三十三年（1907年）考入常州府中学堂，成绩优异。
清宣统三年1911年应聘回母校翰墨林小学任教，并与吴研因等编辑《江阴杂志》。辛亥革命中，赴清江参加革命军，任文牍。
民国元年（1912年）2月，因不满军队内部的混乱而返乡。同年3月，刘半农与其弟刘天华至上海谋生，在开明剧社任编辑。
民国二年（1913年）春，在中华书局任编译员。他勤奋写作，先后在《时事新报》《小说界》等刊物发表40多篇他翻译和创作的小说，介绍安徒生、小仲马、托尔斯泰、屠格涅夫、高尔基等著名作家的作品。
民国六年（1917年），他在《新青年》上发表《我之文学改良观》等文章，对文学革命从形式到内容都提出深刻见解。同年夏，被北京大学校长蔡元培破格聘为北大预科国文教授。
民国七年（1918年）1月，参与《新青年》编辑工作。同年3月，在《新青年》发表《复王敬轩书》，对于反对文学革命、为封建旧文学辩护的观点痛加批驳。
民国九年（1920年）春，刘半农赴欧洲深造，初入英国伦敦大学院，在语音实验室工作。
民国十年（1921年）转入法国巴黎大学，并在法兰西学院听讲，攻实验语音学。
民国十四年（1925年）获法国国家文学博士学位，成为第一个获得以外国国家名义授予的最高学衔的中国人。8月，刘半农在回国的海轮上，写下诗作《教我如何不想她》。同年秋，刘半农任北京大学国文系教授，兼任北大研究所国学门导师，建立了语音乐律实验室，成为中国实验语音学奠基人。
民国二十二年（1933年）4月，与钱玄同等12人联名在报纸上发出为李大钊烈士举行公葬的募款书，并书写墓碑墓志。
民国二十三年（1934年）6月，为完成《四声新谱》《方音字典》和《中国方言地图》的编写，冒着酷暑沿平绥铁路深入绥远、内蒙一带考察方言方音，不幸染上“回归热”病，7月14日在北平逝世，年仅44岁。
欧陆纵横秘史（外交小说）
上海中华书局，1915年5月初版（小说汇刊第四十三种）
黑肩巾（国事小说）上下册
上海中华书局，1917年1月初版（小说汇刊第四十二种）
猫探（侦探小说）
上海中华书店，1917年4月初版（小说汇刊第八十五种）
乾隆英使觐见记（笔记）
上海中华书局，1917年8月初版（清外史丛刊之一）
帐中说法（滑稽小说）
上海中华书局初版（小说汇刊第四十六种）
茶花女（戏剧集）
北京北新书局，1926年7月初版
国外民歌译 第一集
北京北新书局，1927年4月初版
法国短篇小说集第一册
北京北新书局，1927年6月初版
失业（法华对译短篇小说集）
北京北新书局，1927年初版（北京孔德学校小丛书）
猫的天堂（法华对译短篇小说集）
北京北新书局，1927年初版（北京孔德学校小丛书）
比较语音学概要
上海商务印书馆，1930年2月初版
苏莱曼东游记
上海中华书局，1937年5月初版
中国文法通论
北京大学出版组，1919年印行
上海群益书社，1920年8月再版，1923年4版
四声实验录
上海群益书社，1924年3月初版
汉语字声实验录（法文）
1925年初版（法同巴黎大学语音学院丛书之一种）
国语运动略史（法文）
1925年初版
瓦釜集（诗集）
北京北新书局，1926年4月初版
扬鞭集（诗集）上、中卷
上卷，北京北新书局、1926年6月初版
中卷，北京北新书局、1926年10月初版
太平天国有趣文件十六种
北京北新书局，1926年初版
半农谈影
北京真光摄影社寄售，1927年10月初版
宋元以来俗字谱
国立中央研究院历史语言研究所单刊之三，1930年2月出版
从五音六律说到三百六十律
1930年5月印行
声调之推断及“声调推断尺”之制造与用法
图立中央研究院历史语言研究所集刊（抽印本），1930年6月
中国俗曲总目稿 上下册
国立中央研究院历史语言研究所，1932年5月初版
天坛所藏编钟编罄音律之鉴定
国立北京大学《国学季刊》抽印本，1932年6月初版
中国文法讲话上册
上海北新书局，1932年11月初版
十二等律的发明者朱载堉
抽印本，1932年出版
莽权价值之重新考订
国立中央研究院历史语言研究所集刊（抽印本）1933年出版
半农杂文第一册
北平星云堂书店，1934年6月初版
乙二声调推断尺
国立中央研究院历史语言研究所集刊抽印本，1934年出版
半农杂文二集
上海良友图书印刷公司，1935年7月出版
敦煌掇琐 上、中、下卷
上卷，国立中央研究院1925年初版
中卷，国立中央研究院1934年初版
下卷，国立中央研究院1945年初版
国立中央研究院历史语言研究所专刊之二
何典（小说集）清张南庄著
北京北新书局，1926年6月初版，同年12月订正再版
香奁集（诗集）唐韩致尧著
北京北新书局，1926年初版
西游补（小说集）清董若厢著
上海北新书局，1929年初版
印度寓言 刘北茂原译
1930年 初版
朝鲜民间故事 刘育厚原译
1932年 初版
鲁迅《忆刘半农君》：我愿以愤火照出他的战绩，免使一群陷沙鬼将他先前的光荣和死尸一同拖入烂泥的深渊。
蔡元培：先生（刘半农）在《新青年》土提倡白话诗文，叙述地摊上所搜集的唱本，我们完全认为是文学家。后来……专做语音学的工作，完全是科学家了。
胡适：守常惨死，独秀幽囚，新青年旧伙如今又弱一个；拼命精神，打油风趣，老朋友之中无人不念半农。
钱玄同《新文学与今韵问题》：本志三卷所登先生对于文学革新的大作两篇（刘半农的《我之文学改良观》），我看了非常佩服，以为同适之先生的“文学改良刍议”正如车之两轮，鸟之双翼，相辅而行，废一不可。文学革新的事业，有你们两位先生这样的积极提倡，必可预卜、其成绩之佳良，我真欢喜无量。
周作人：在“五四”期间，当时应援这运动的新力军，没有比他更出力的了，他是替新思想说话的健将之一。
谢冕、孙绍振《新诗发展概况》：刘半农的创作思想一直停留在民主主义的基础上，当他在揭露黑暗的现实而充满反抗情绪时，他并没有找到这个斗争的力量，也不可能表现出革命斗争的一面，他的诗深沉、悲愤，但五四时代那种高昂、自信，观地精神，却没有充分的表现出来。特别是当他在国外留学归来以后，革命斗争向前发展，他依然停止不前，甚至逐渐失去对封建势力的战斗精神，躲进了研究室,从此诗人的声音便逐渐暗吸和消失了。
