刘歆是西汉皇室宗亲，其父刘向是当时的知名学者，博通经史，在天文学方面也很有造诣，在朝廷中做过官。少年时代的刘歆已精通了《诗经》、《尚书》等当时 被认为是最古老、最经典的书籍。当时的西汉皇帝是成帝，他听说刘歆小小年纪学识渊博，特意召见了他，让他做了黄门郎，这是刘歆走上天文学研究和进人政治舞 台的第一步。
河平年间（前28～前25年），皇帝令刘歆与其父一同负责整理、校订国家收藏的书籍。刘歆有机会接触到当时的各种书籍， 他更加如饥似渴地钻研，无论是史书、典章制度、政论文章，还是诗赋、科学著作等，他都认真研习，成为一位无所不通的大学问家。建平元年（前6年），刘歆的 父亲刘向去世了，皇帝任命刘歆为中垒校尉，统领校书工作，完成他父亲未竟的事业。
汉成帝死后，汉哀帝继承了皇位，西汉王朝的统治权逐 渐落入手中。王莽在汉哀帝面前盛赞刘歆才能卓著，品行高尚，推举他做了侍中大中大夫，此后又逐渐升为骑都尉、奉车光禄大夫，成为显赫人物。刘歆在校书 时发现了一本《春秋左氏传》，认为这是一本非常重要的书，建议国家设立专讲这本书的学官，同时提出另外三本书《毛诗》、《逸礼》、《古文尚书》也应专门设 立学官，当时各科讲学的博士都反对刘歆这一建议，刘歆就给主管学官的太常博士写了一封信，批评诸儒生抱残守缺，拒绝接受新的发现，以自己的偏见反对真理。 这封信在儒者中激起了轩然大波，当时著名儒者纷纷以各种形式攻击刘歆，指责他改乱旧有章法，诋毁西汉历代皇帝建立的制度。刘歆不得不采取退避的方式，主动 提出离开京城，到地方去做官吏。不久，汉哀帝死了，王莽已经完全掌握了朝政，王莽非常欣赏刘歆的学识，他向皇太后推荐刘歆，皇太后任命刘歆为右曹太中大 夫，很快又提升为中垒校尉、太史令、京兆尹，并封为红休侯。
始建国元年，王莽正式做了皇帝，刘歆被封为国师、承新公，是当时皇帝之下 权力最大的四辅之一。但是，刘歆此后为王莽做的事越来越少。到了地皇四年（23年），各地反王莽的起义势如烈火，王莽政权摇摇欲坠。王莽手下的另外两个重 臣劝刘歆与他们一同起来反对王莽，刘歆终于同意了劫持王莽，投奔南阳新建立的汉政权。计谋已定，遗憾的是，迷信占星术的刘歆，坚持要等到太白星出来再举 事。太白星就是金星，中国古代占星术认为它是一颗掌管战争的星，顺着它的光芒进兵就能打胜仗。刘歆的迷信害了他自己，为等太白星出来，他们不得不推迟行 动，结果延误了时机，机密泄漏，刘歆被迫自杀。一个伟大的天文学家却成了占星术的牺牲品，演出了一场历史的悲剧。
刘歆对天文学有多方 面的贡献，他编制的三统历是根据太初历改编的，其中加入了许多新的内容。太初历是汉初天文学家邓平、落下闳等人编制的，从太初元年（前104年）一直沿用 到西汉末。刘歆系统地叙述了太初历的内容，又补充了很多原来简略的天文学知识，并仔细分析考证了上古以来的天文文献和天文记录，写成了《三统历谱》。《三 统历谱》是我国古代流传下来的一部完整的天文著作，它的内容有编制历法的理论，有节气、朔望、月食以及五星等的常数和位置的推算方法，还有基本的恒星位置 数据，可以说，它含有了现代天文年历的基本内容，因而《三统历谱》被认为是世界上最早的天文年历的雏形。
三统历在中国天文学史上首次 提出了岁星（木星）超辰的计算方法。我国在春秋时代已经发现了岁星超辰问题，但是没有提出超辰计算法，刘歆分析了《左传》等史书中关于岁星位置的记载，提 出了岁星每144年超辰一次，数值虽然并不准确，但这是历史上第一个用科学态度探索岁星超辰规律的尝试，这一思想是十分宝贵的。
刘歆 还是中国古代第一个提出接近正确的交食周期的天文学家。交食包括日食和月食，交食周期的最早记载出现在的《史记》中，但由于可能是某些数字的错乱， 现在很难确定它的周期值。刘歆坚信日、月食都是有规律可循的自然现象，他通过分析各种书上的月食记载，提出了135个朔望月有23次交食的交食周期值。刘 还在《三统历谱》中对上古年代做了排列，远溯到上古，引经据典，数值虽然不太精密，但这种方法是他的独创。
刘歆除了对天文学有重大贡 献外，对于中国古代书籍的分类整理和史学研究都是功不可没的。西汉建国以后，国家逐渐搜集了一批图书，曾下令民间献书，汉成帝也曾派人到各郡国搜集 遗书，到西汉末，国家图书馆书籍堆积如山。刘向、刘歆父子受任统领校书，刘向死后，则由刘歆独立承担这项巨大的工作。刘歆经过艰苦的努力，完成了这项工 作，做成《七略》，包括《辑略》、《六艺略》、《诸子略》、《诗赋略》、《兵书略》、《数术略》、《方技略》。其中《辑略》是诸书总论和分论，其他6略实 际上是把书籍分为6类。《七略》书已散失，班固作《汉书》有《艺文志》，共有书6略，就是采用了刘歆的分类法，大部分文字都是刘歆的原文，刘歆的这一工作 对中国古代目录学和文献学都具有极其重大的意义。
刘歆对经学和史学研究也有重要影响。汉武帝时官学有《易》、《书》、《诗》、《春 秋》五经，这五经都是秦以前的经典，后来五经逐渐增到14家，由14家博士官讲授。当时的经书都是用汉朝通行的隶书写的，叫今文经。今文经学多是用迷信、 繁琐且穿凿附会的内容解释经书，没有什么学术价值。当时还有一种用篆文写的经书，叫古文经书。讲古文经书的叫古文经学，它排斥迷信，语言简练，保持古朴的 传统。但由于今文经学盛行，古文经学没有立为官学。刘歆为古文经学立为官学作了积极的努力，终于在太学里立了《左氏春秋》、《毛诗》、《周礼》、《古文尚 书》4个古文经学博士。在史学方面，刘歆对《左氏春秋》作了大量研究，我们现代看到的《左传》就是经过刘歆整理校订的。
