在母亲李汝谖的教授下，他8岁就开始学《周易》辨卦，12岁读完四书五经，并开始学习试帖诗，有《水仙花赋》、《凤仙花诗一百首》等。1897年起开始研究《晏子春秋》。
1902年刘师培中举，次年在上海结识章太炎，并改名光汉，归途经过上海，结识了章太炎，撰写《攘书》等，参入反清宣传。1904年春，刘师培参加开封会试。临行前，作《留别扬州人士书》，呼吁创办新式学堂、鼓励出洋留学。落第回乡后回扬州，创办师范学会和协助扬州乡人出洋留学社，发表《论留学生之非叛逆》，支持学生运动；又作《黄帝纪年论》，提出以黄帝纪年取代封建帝王纪年。同年秋，刘师培受王无生（字郁仁）的影响，到上海与章太炎、蔡元培、谢无量等一起参加反清革命，参与《俄事警闻》、《警钟日报》和《国粹学报》的编辑工作，积极为《中国白话报》撰稿，用通俗的语言，向民众宣传普及革命主张，作《中国民族志》。当年《警钟日报》遭清政府查封，至浙江平湖避难。
1905年，刘师培参与编辑的《警钟日报》，为之撰稿，先后刊发《周末学术史序》、《南北学术不同论》、《论文杂记》等著作，为近代学科意义上中国史学、文学、学术史研究之先驱。又受章太炎启发，撰写《小学发微》，引用西方社会学学理，重新阐释清儒文字音韵之学。由于公开辱骂德国人遭通缉，化名金少甫，逃亡嘉兴，协助敖嘉熊处理同盟会温台处会馆事务。
1906年春，刘师培至芜湖，与陈独秀在安徽公学组织岳王会和黄氏学校，宣传革命，同时编辑出版了《中国文学教科书》、《伦理学教科书》、《经学教科书》和江苏、安徽、江宁《乡土历史教科书》等。
1907年春节，应章太炎等邀请，刘师培夫妇东渡日本，结识孙中山、黄兴、陶成章等革命党人，参加同盟会东京本部的工作，与章太炎等参与民起亚洲和亲会，先后发表了《普告汉人》、《悲佃篇》、《辨满人非中国之臣民》等。
同年6月，受日本无政府主义思潮的影响，刘师培夫妇发起成立“女子复权会”和“社会主义讲习会”，创办《天义报》和《衡报》，宣传无政府主义和社会主义理论，提倡废除等级制度，实现人权平等，实行无政府主义，鼓吹女权主义、共产主义、无政府主义，组织翻译《共产党宣言》和苦鲁鲍特金《面包掠夺》、《总同盟罢工》等，在同盟会之外另立旗帜。因为留日期间费用巨大，迫于经济压力，加上日本警方监视日严，《衡报》因经费困难被迫停办。
因为留日期间费用巨大，迫于经济压力，加上章太炎拟赴印度学佛，1907年底由何震出面，被端方收买，作《上端方书》，献“弭乱之策十条”，背叛革命，充当端方暗探。于是组织齐民社，举办世界语讲习所，并与章太炎关系破裂。加上日本警方监视日严，《衡报》因经费困难被迫停办，于1908年11月全家回国。
1909年，刘师培夫妇在上海充当端方暗探，因出卖张恭，姻弟汪公权被王金发击毙。于是刘师培公开入幕，为端方考订金石，兼任两江师范学堂教习。又拜徐绍桢为师，研究天文历法。端方调任直隶总督，刘师培随任直隶督辕文案、学部谘议官等职。1911年随端方南下四川，镇压保路运动，在资州被革命军拘捕。辛亥革命胜利后，章太炎发表保刘宣言，称他为方孝孺式的读书种子。蔡元培亦发表赦刘通信，赞扬他学问渊懿，通古知今。于是孙中山致电资州分府，令其释放刘师培。后任成都国学院副院长，兼四川国学学校课，讲授《左传》、《说文解字》等，与谢无量、廖季平（廖平）、吴虞等共同发起成立四川国学会。作《废旧历论》等。
1913年6月与南下寻夫的何震沿江北上山西，二人均任友人南桂馨的家庭教师。后由南氏介绍，刘师培投靠阎锡山，任高等顾问。又由阎锡山推荐给袁世凯，任教育部编审，参政院参政，上大夫。
1915年8月，与杨度等发起成立筹安会，作《君政复古论》、《联邦驳议》，为袁世凯称帝鼓吹。洪宪帝制失败后，流落天津。
1917年，应北京大学校长蔡元培之聘，任北京大学文科教授，先后开设“六朝文学”、“文选学”等课程，有《中国中古文学史》讲义传世，为近现代中国文学史研究首屈一指之巨著。1919年1月，与黄侃等成立“国故月刊社”， 成为国粹派，在北大主导发起《国故学刊》。
1919年11月20日因肺结核病逝于北京，年仅35岁。
《中国民约精义》
《中国中古文学史讲义》
《黄帝纪年论》
《汉宋学术异同论》
《中古文学史》
刘师培作为经学大师，在继承《左氏》家学的同时，善于把近代西方社会科学研究方法和成果，吸收到中国传统文化研究中来，开拓了传统文化研究的新境界，成果很多。他运用进化论思想研究古代社会生活的《论小学与社会学之关系》、《读书随笔》、《国学发微》、《小学发微补》等，具有开创意义；关于《左传》的研究成果，有《春秋左氏传古例诠征》、《春秋左氏传例略》、《春秋左氏传答问》、《春秋左氏传时月日古例考》、《读左札记》等。他研究《周礼》所著的《周礼古注集疏》、《礼经旧说考略》、《逸礼考》以及《古书疑义举例补》、《论文札记》等，都有较高的学术地位。
在日本时，他与章太炎（字枚叔）齐名，当时有“二叔”的说法。他在北京大学时编的《中国中古文学史》讲义，鲁迅先生在1928年时说：“我看过的已刊的书（指中国文学史一类），无一册好。只有刘申叔的《中古文学史》倒要算好的，可惜错字太多。”在《魏晋风度及文章与药及酒之关系》的著名演讲中，鲁迅推荐说：“研究那时的文学，现在较为容易了，因为已经有人做过工作……辑录这时代文学讲座有刘师培的《中国中古文学史》……对于我们的研究有很大的帮助。”同时声明：“我今天所讲，倘若刘先生的书里已详的，我就略一点；反之，刘先生所略的，我就详一点。”
刘师培对清初汤斌等人的伪道学也有清醒的认识，使这些以道学之名博取显宦名位的伎俩曝露于阳光之下：清初汤斌、陆陇其“以伪行宋学”，而“配享仲尼”，从此“伪学之风昌”，把理学称为“伪学”，还预备专门立有“学案”；魏象枢、李光地等人，“鬻道于虏，炫宠弋荣”；阎若璩、胡渭、毛奇龄，“以博学自鸣”，投靠清廷，“行尤卑”；段玉裁、洪亮吉、孙星衍入仕“以贪黩名”、“嗜利若渴”。
