建安年间，刘桢被曹操召为丞相掾属，与魏文帝兄弟几人颇相友善，后因在曹丕席上平视丕妻甄氏，以不敬之罪服劳役，后又免罪署为小吏。建安二十二年(217)，刘桢与陈琳、徐干、应玚等同染疾疫而亡。

　　《隋书·经籍志》著录有集4卷，《毛诗义问》10卷，皆已佚。明代张溥辑有《刘公干集》，收入《汉魏六朝百三家集》中。

　　他的文学成就，主要表现于诗歌、特别是五言诗创作方面，在当时负有盛名，后人以其与曹植并举，称为“曹刘”。如今存诗十五首，风格遒劲，语言质朴，重名于世，《赠从弟》三首为代表作，言简意明，平易通俗，长于比喻。

　　刘桢五岁能读诗，八岁能诵《论语》、《诗经》，赋文数万字。因其记忆超群，辩论应答敏捷，而被众人称为神童。后受曹操征辟，曾任丞相掾属、平原侯庶子、五官将文学。(《太平御览》卷385卷引《文士传》)

　　公元197年，因避兵乱，十一岁的刘桢随母兄躲至许昌，在驿馆中结识曹子建。曹植被刘桢的饱学所折服，为进一步深层密交，将其领到丞相府，日夜解文作赋，志同道合，关系日笃。后来他又结识孔融等其他五学子，他们常聚论学问，“仰齐足而并驰，以此相服”。

　　待其成年之后，刘桢希望际遇明君，施展自己的政治抱负。然而，汉末政治极为腐败黑暗，社会危机深重，统治者镇压黄巾军起义后，各地军阀据地称雄，中国陷入分裂、动乱之中。据有中国北方的曹操，政治较为开明，任人唯才，广揽文学之士。

　　这使得当时渴望中国统一、怀有济世抱负的有志之士，如山阳王粲、北海徐干、陈留阮瑀、汝南应玚，以及刘桢等，纷纷从四面八方奔赴曹操治下的邺城，一时人才荟萃，形成以曹氏父子为首的文学集团，并由于他们的诗文大多描写汉末动乱的社会现实，抒发统一、治国的豪情壮志，慷慨多气，悲凉豪壮，从而形成了“建安风骨”，对后世文学的发展产生了深远影响。

　　刘桢是建安文学集团的重要成员，与曹氏关系密切。在诗文中，他把曹操比做起于丰沛、统一中国的汉高祖刘邦，把曹氏的知遇，比做礼贤下士的信陵君，见《赠五官中郎将四首》。他把统一中国的希望寄托在曹操身上。投曹之初，他被任命为丞相掾属，追随曹操南征北讨，参谋军机。

　　建安十六年(211年)后，出任平原侯曹植庶子，不久即改任五官中郎将文学，随侍曹丕。

　　从现存诗文看，他与曹丕关系至为密切，而曹丕兄弟亦视为亲故，诗酒唱酬，交往常不拘形迹。曹丕曾特赠廓落带，以示亲宠，并由此而留下一篇妙文(载《典略》)。然而，刘桢性傲，不拘礼法。一次曹丕宴请诸文学，酒酣忘情，命夫人甄氏出拜，坐中诸人都匍伏于地，不敢仰视，独刘桢平视不避。曹丕对此并未介意，而曹操听说后，要治以不敬之罪。经过援救，才“减死输作”，罚为苦役，终身未再受到重用。这对刘桢自然是一次极为沉重的打击，在《赠徐干》一诗中流露出他的痛苦心情。

　　建安二十二年(217年)，北方瘟疫流行，刘桢染病去世。曹丕为此极为悲惋，为他整理遗文，作出评价，并追思往日“行则连舆，止则接席”“酒酣耳热，仰而赋诗”的亲密交往，不胜痛悼(见《与吴质书》)。

　　他一生中的的著述包括《毛诗义词》十卷，文集四卷。后人集有《刘公干集》传世。