刘子羽秉赋刚毅，10岁精通经史，11岁随父亲、北宋名将刘韐过军旅生活。战乱频繁，他弃文习武，“盛暑严寒，必清晨著单衫，入教坊学射矢三百。”青年时代就通晓韬略，武艺超群。

北宋政和五年（1115年），刘子羽荫补为将仕郎（相当从九品），随军任安抚司书写相宜文字，协助治理州事。

宣和二年（1120年），睦州（今浙江淳安）方腊率众起义，攻越州。刘子羽参与镇压农民起义军，被任命为太府簿，迁卫尉丞（相当从七品），擢升卫戍寺丞。

靖康初，金帅斡离不尽取燕山州县（今北京西南），劫掠相、婺二州（今河北临漳、诸叔），进攻黎阳（今浚县东南）。宋守军闻风丧胆，金兵长驱直入。刘子羽调守真定（今河北正定）。是年冬，金兵来犯，刘子羽坚守数月，击退金兵，遂以军功升朝请大夫。宋钦宗以他忠勇可嘉，调汴河（今河南荥阳西南索河）上游，扼制金兵南侵。金人乘真定调防，直陷京师。刘子羽父亲刘韐死于靖康之难，他扶柩归葬家乡，誓与金兵不共戴天。

南宋建炎三年（1129年），刘子羽任直秘阁修撰兼知池州（今属安徽）。他上书言事：“论天下兵势，当以秦陇（陕西、甘肃）为本。”改集英殿修撰知秦州。未到任，又改任行在建康御营使司参赞军事兼枢密机宜文字职。当时，推举张邦昌僭位的都巡检范琼拥兵自重，威胁朝廷，经张浚会同刘子羽共同计议，施计剪除范琼，改编所部。张浚任川陕宣抚制置使时，以刘子羽智勇双全，请他参议军事，命他到秦州总制五路兵马，建立兵将法规，军威大振。刘子羽统制所部，接连收复延安、晋宁、麟府以及鹿坊、巩县等州县失地，因军功卓著，晋升为徽猷阁待制。

建炎四年，金兵南侵。张浚拟调五路大军40多万人马与金兵决战。刘子羽却以宋军联合作战困难，坚主屯兵据守为上策。张浚坚持己见，分道出同、鹿二州，驱兵南下，行至富平（甘肃庆阳西南），两路宋军相遇，兵将互不协调。金兵乘机攻城略地，宣抚司退保兴州（今陕西略阳），民心涣散，有人主张退守夔州（今重庆奉节、巫溪一带），刘子羽衡量得失，力主坚壁固守，待机而动。张浚同意，刘子羽受命复至秦州，招集散兵十数万，派吴玠扼守大散关及和尚原，吴师古屯兵熙河（今甘肃临洮），孙渥、贾世方据守阶、成、凤三州，以堵截金兵来路。金兵遂不敢来犯。当时因连年战乱，汉中饥荒，刘子羽请调汉中。到任后他“开关通商输粟，揖睦邻援，饬兵练卒，扼险待敌”，深得军民拥戴。

绍兴元年（1131年），金兵侵犯大散关。刘子羽率宋军三百，于潭毒山设防，死守三泉。金兵久攻不下，只得退师。随后，金将撒离喝移师攻打凤翔，但由于刘子羽早就部署坚壁清野，金兵面对空城，一无所获。金将撒离喝不甘撤军，又派使者10人向刘子羽劝降，被斩掉9个。刘子羽的抗金决心矢志不移，他联合吴玠 ，用游击战术对付金兵，金兵疲于奔命，只得下令撤军。宋兵追杀，金兵死伤无数，接连收复金、均、房三州。刘子羽镇守元府，奸臣朱胜非向宋帝进谗，诬告张浚统军失误，张师遂遭贬谪，刘子羽也降职到白州（今博白县，1832年博白县志有载），后经吴玠及众官员保举，刘子羽提举江州（今江西九江）太平观，复任徽猷阁待制，改知福建泉州。当时泉州是对海外贸易的一个重要港口，政务繁重，刘子羽为政清廉，重视民风教化，致力兴学，把以前荒废的旧学馆修葺一新，“彻而新立，堂宇规模，略效太学，至今为闽中之观”。

先祖名人(7张)绍兴十一年，刘子羽为沿江安抚使、镇江知府。此时，金人毁约，扬言兴师南侵。他团结军民，致力抗金，坚壁清野，将淮东百姓迁居京口，军民杂处，秋毫无犯，边境安定。当时，金主派人沿江南下议和，大船上打出“江南抚谕”的旗帜，刘子羽对金使这种侮辱性的做法异常气愤，派兵把大旗拔掉，出镇江境后才允许还旗。此举招致投降派忌恨，先诏复他的待制职，后又罢官。刘子羽遂奉祠归里，时年45岁。

归里后，刘子羽从此淡泊功名，寄情山水，曾畅游武夷山，在七曲琅 岩观赏了钟模石，有感于中，认为酷似编钟的岩石可以感应清霜而为仙曲《宾云曲》伴奏，又可金钟长鸣示警抗金，于是，口赋一绝《题钟模石》：

谁铸三钟栾乳形，不须笋虞自能鸣。

仙君欲奏宾云曲，只感清霜便发声。

刘子羽隐居故乡五夫里时，兴办学馆，抚养教育少年朱熹，并为他建紫阳楼，作为他起居、修学之所。刘子羽于绍兴十六年病逝。朱熹写挽诗二首：“天界经纶业，家传忠文心，谋谟经国远，勋烈到人深，廊庙风云断，江湖岁月侵，一朝成殄瘁，九牧共沾襟”；“久矣身无用，前思愿莫偿。岂期今老大，复此重悲伤。泪向遗书尽，心随宿草荒。诸君那不死，恸绝鬓成霜！”淳熙五年（1178年），朱熹受彭城侯刘珙的委托，为其亡父、抗金名将刘子羽撰并书神道碑文。刘公神道碑至今尚存，为福建省的省级重点文物保护单位。