年少时就以行侠仗义闻名乡里，结交了袁绍，曹操等大批官宦子弟。后来为陈留太守，与曹操一道起兵讨伐董卓，双方关系相当紧密。起初其地位是曹操的上司，后来转为其下属，加上并非曹操嫡系，所以虽然受曹操信任和善待，仍然自疑不已。曹操攻打陶谦时他在陈宫劝说下叛迎吕布，与回师平叛的曹操在兖州大战，结果失败，在向袁术求救的路上被部下杀死，家属被曹操夷灭。

刘焉的建议虽然加速了汉帝国的瓦解，却为他自己争得了一方水土。公元188年，刘焉被汉灵帝任命为益州牧，并受封为城阳侯，从此来到了他梦想的益州。据说，刘焉原本是请求做交趾牧，后听人说"益州分野有天子气"，就又通过关系请求出任益州牧。刘焉封侯拜州牧时，他的家族也鸡犬升天。刘焉有4个儿子：长子刘范，官任汉朝廷的左中郎将；二子刘诞，任制书御史：三子刘璋，任奉车都尉；四子刘瑁，官任别部司马。但当时刘焉走马上任时，只带了小儿子刘瑁一人同来益州，而其余3个儿子则都留在朝廷，并跟随汉献帝西迁长安。