为西汉鲁恭王刘馀之后裔，他的汉室宗亲血统相对于刘备要纯正的多。因为这个身份被授予郎中一职，后来老师祝恬去世后选择离职，在阳城山讲学教授。后被推举为贤良方正，被司徒府征辟。历任雒阳县令、冀州刺史、南阳郡太守、宗正、太常等官，他平步青云成为了活跃在东汉末年政坛上的大人物。

　　刘焉虽然仕途上畅通无阻，但当时皇帝昏庸奸臣当道让他在朝中为官如履薄冰。中平五年(188年)，刘焉为了远离朝廷自保进谏说为了镇守安定天下，应该挑选那些清廉的朝中要员去担任地方州郡长官，他本人自请充任交州牧。随后汉灵帝设立州牧极大地削弱了朝廷对于地方的掌控力，这也为东汉的混乱拉开序幕，自此地方豪强逐渐割据一方，不再听从朝廷管理。

　　当时益州刺史郤俭在益州大事聚敛，贪婪成风。刘焉听说董扶说益州有天子之气，便立刻改了主意不去交州决心要得到益州牧的位置。恰好当时的并州刺史张壹、凉州刺史耿鄙被乱贼所杀，而益州刺史郤俭因为在益州横征暴敛激起了民变。于是以刘焉为监军使者、益州牧，被封为阳城侯，命其前往益州逮捕郗俭，整饬吏治。刘焉上任后，任命贾龙为校尉，将他迁到绵竹居住。极力实行宽容恩惠的政策，但内心别有图谋。刘焉是个迷信之人，而张鲁的母亲颇懂鬼神之说又长得十分美丽，于是二人关系颇为密切。刘焉后来任命张鲁为督义司马，前去攻打汉中郡，张鲁在汉中得势后，却杀死张修，截断交通，斩杀汉使，刘张两家由此结怨。

　　事后刘焉以盗贼作乱为理由，从此中断与中央朝廷的联络。紧接着，他利用州郡长官的身份，不断扩张自身势力，同时进一步对内打击地方豪强，巩固自身势力，把整个益州地区的所有权利，收到自己手中。在十八路诸侯讨伐董卓时，身为汉室宗亲的刘焉也拒不出兵，保州自守。初平二年，刘焉更造作乘舆车具千余辆，刘焉做的所有事情将他的野心全部暴露无遗。

　　为了不让朝廷怀疑自己，刘焉开始称病，让朝廷将其子奉车都尉刘璋从京城派到益州，刘焉趁机将其留下。兴平元年(194年)，刘焉的长子、次子跟征西将军马腾密谋进攻长安，此事被人揭露后，刘范和刘诞陆续被人杀害。不久之后绵竹发生了一场大火，刘焉私自打造的那些皇帝御用物品被烧的一干二净。刘焉于是前往成都，不久之后背疮发作痛苦至死。