刘子羽字彦修，崇安人，资政殿学士刘韦合的长子。宣和末年，刘韦合任浙东军事长官，刘子羽以主管机宜文字的官职辅佐他的父亲。击破睦州贼寇，入朝主管太府、太仆簿，升任卫尉丞。刘韦合守卫真定，刘子羽被批准随从。恰逢金军入侵，父子立誓死守，金军不能攻拔而退走，因此出名。朝廷任命他为直秘阁。京城失守，刘韦合战死，免除服丧后，朝廷任命刘子羽为秘阁修撰、知池州。
写信给宰相，议论天下军事形势，应当以秦、陇作为根本。改任集英殿修撰、知秦州。还没出发，诏令他到行营，担任枢密院检详文字。
建炎三年(1129)，大将范琼在江西手握重兵，召他不至，来了后又不肯放弃兵权。知枢密院事张浚，同刘子羽密谋诛杀他。一天，命令张俊率兵一千人渡江，装作防备其他盗贼，使他们都身穿铠甲前来。于是召张俊、范琼和刘光世到枢密院大堂议事，并设宴招待，食罢，众人互相观望不敢发动。刘子羽坐在对面的小屋里，恐怕时间一长被范琼觉察，取出黄纸来到堂前，举起对范琼说：“皇上有敕令下，将军可到大理寺对质。”范琼惊愕不知是干什么，刘子羽让左右把范琼拥进车中，用张俊的兵力护卫，送到狱中。刘光世出去安抚范琼部众，历数范琼在京城被包围时依附金朝逼迫徽、钦两帝北去的罪状，并说：“所诛杀的只有范琼一人，你等本是皇上自己率领的军队。”众人都放下武器说“：是。”朝廷降旨将范琼的兵力分散隶属御营五军中，军心片刻安定下来。范琼最终被诛杀。张浚因此惊奇刘子羽的才能。
张浚奉命任川、陕宣抚使，奏请让刘子羽参谋军事。到达秦州，设立幕府，指挥五路各将，规划五年以后出师北伐。次年，朝廷任命刘子羽为徽猷阁待制。金军窥视江淮紧急，张浚想到禁卫军人数少而战斗力又弱，计议分散阻挠敌军势头，于是集合五路兵马前进。刘子羽认为这不是本来的计策，同张浚争论。张浚说“：我难道不知道这一点？但是现在东南事情正处危急之中，迫不得已这样做罢了。”于是向北到富平，同金军相遇，战斗失利。金军乘胜前进，宣抚司退保兴州，民心大震。
官属中有人建议将宣抚司移到夔州，刘子羽斥责他说：“孺子应当斩首！四川地位十分重要，敌人打算侵入蓄谋已久，只因川口有铁山、栈道险隘，不敢贸然窥视罢了。今不坚守此地，纵任敌军深入，而我却居于偏僻的夔、峡，遂使同关中地区的音讯阻绝，进退失策，将后悔莫及。今天幸运的是敌人正在四处抢劫，没有逼近附近的州郡。宣抚司只应留驻在兴州，以在外维系关中军民的希望，内部安定保全四川的民心；急忙派遣官员出关，召呼众将，收集离散的士卒，分布在险隘之地，坚壁固垒，伺机而动，这样才可以弥补以前的过错而抵销以后的责罚，怎么能说出这样的话呢？”张俊认为刘子羽说的对，但众参佐中无人敢于前往。刘子羽当即请求奉命北去，单人独骑到秦州，召集各位离散的将领。众将听说命令大喜，全部率众前来会合。刘子羽命令吴..在和尚原立寨，守卫大散关，又分兵守卫所有险隘要塞。金军知道宋军有准备，退走。
第二年，金军又聚兵前来进攻，再次被吴..击败。张浚将宣抚司移到阆州，刘子羽请求独自留在河池，以调度众将，沟通内外消息，张浚答应了他。次年，吴..以秦凤经略使的身份戍守河池，王彦以金、均、房镇抚使的身份戍守金州。两地都发生饥荒，兴元守臣关闭粮食交易，两地对此极为不满。吴..、王彦都愿意刘子羽守卫汉中，张浚于是按照朝廷诏命任命刘子羽为利州路经略使兼知兴元府。刘子羽到汉中，开放通商转输粮食，两地于是安定。朝廷任命刘子羽为宝文阁直学士。
这年冬天，金军侵犯金州。绍兴三年(1133)正月，王彦守卫的金州失守，退保石泉。刘子羽急忙移兵守卫饶风岭，快马驰告吴..。吴..大惊，立即率部越境向东，日夜兼程三百里赶到饶风，列营守卫抵御。金军尽全力向上仰攻，死伤如同山积，改变方法召募死士，从小路自祖溪关进入，绕出吴..背后。吴..急忙邀请刘子羽离去，刘子羽不同意，反而留吴..共同守卫定军山，吴..感到很困难，于是率部西去。
刘子羽焚毁兴元，退守三泉县，随从的士兵不满三百人，与士卒取草芽、树皮充饥，写信给吴..诀别。吴..当时在仙人关，他的爱将杨政在营门前大声呼喊：“节使不能背负刘待制，否则，我们也要舍弃节使离去了。”吴..才从小道会合刘子羽，刘子羽挽留吴..共守三泉县。吴..说“：关外是四川的门户，不能轻易放弃。”又回去守卫仙人关。刘子羽因为潭毒山形状如斗挺立，上面宽平有水泉，于是修筑营垒，十六天后竣工。金军已经来到，距离营垒十余里。刘子羽把一架床置于营门口，坐在上面。众将哭着请求说“：此处不是待制坐的地方。”刘子羽说“：我今天就死在这里。”敌军不久也退走。
自从金军侵入梁、洋州，四川又极为震动。张浚准备转移到潼川，刘子羽写信给他，说已经到了这里，金军必然不会进一步南下，张俊才停止。撒离喝从斜谷北归，刘子羽谋划在武休邀击他，没有追上，撒离喝回到凤翔后，派遣十人拿着书信旗号招降刘子羽，刘子羽把他们全部杀掉，只留下一人，放他回去，说：“替我告诉撒离喝，要来就来，我只有一死，怎么会接受招降！”开始，刘子羽预先将梁、洋公私积蓄全部转移，到这时，金军深入宋境，粮饷不继，背后又被刘子羽、吴..攻击，部众死伤的十占五六，加上发生瘟疫，急忙逃走。刘子羽派兵掩击，坠入深涧而死的不可胜计，其余不能逃走的士兵，全部投降。
当初，金军进攻四川，所选的士卒是千中取百，百中取十；战斗时披重铠，登山攻险，每一人在前，两人在后推行，前面的战死，后面的披其铠甲前进，又死，则又会有后继者代替他，就这样一定要到攻取为止。张浚虽然战败，但最终得以保全四川，刘子羽出力最大。刘子羽返回兴元。绍兴四年(1134)，因受富平战役失败的牵连，刘子羽同张浚一起被罢免。不久又被议论者所攻击，贬任单州团练副使，安置到白州。
新任川陕宣抚副使吴..，开始时是偏将，没有什么名声。刘子羽独自惊奇他的才能，推荐给张浚，张浚同吴..谈话后大喜，让他指挥众将。到这时，吴..上奏论述刘子羽的功绩，请求交还自己的官职以抵消刘子羽的罪名。诏令刘子羽随意择处安居，次年，复任原官，提举江州太平观。
张浚重新回朝任职后，计议集中兵力大举攻金，于是请求召回刘子羽，让他向西部将帅说明朝廷旨意，任命刘子羽以集英殿修撰身份知鄂州。不久，任都督府参议军事，同主管机宜文字熊彦诗一起抚慰川、陕。当时吴..多次奏说军中缺粮，因此命令刘子羽会见吴..说明旨意，并与都转运使赵开计议供应事宜，同时考察边境防务的虚实情况上报，这时是绍兴五年(1135)冬天。第二年秋天，与熊彦诗一同返回朝廷。刘子羽说：“金朝不能轻易图谋，应该增兵屯田，等待机会。”当时张浚因为淮西安抚使刘光世骄逸懈惰军纪不严，密奏请求将他罢免，而把他的兵权交给刘子羽。刘子羽推辞，于是任命他以徽猷阁待制的身份出知泉州。
绍兴七年(1137)，淮西郦琼反叛，张浚被罢免宰相职务。绍兴八年，御史常同论说刘子羽十项罪状，高宗批“白州安置”。赵鼎说：“章疏中说到刘子羽勾结吴..的事情，现在正依赖吴..，恐怕他难以自安。”常同再次上奏，刘子羽以散官被安置到漳州。绍兴十一年(1141)，枢密使张浚推荐恢复刘子羽原来职务，刘子羽被任命为知镇江府兼任沿江安抚使。金军南下入侵，刘子羽建议坚壁清野，淮东的民众，都迁徙到镇江，用恩信安抚，虽然兵民杂居一起，没有人敢于互相侵犯。不久金军没来，张浚询问刘子羽，刘子羽说：“从前金军入侵，飘忽不定犹如风雨，现在久驻不归，必定有其他意图。”原来是金朝由于柘皋之败，急于同宋讲和。不久，金果然派使者前来议和。复任徽猷阁待制。秦桧暗示谏官上奏罢免刘子羽，又提举太平观。
绍兴十六年(1146)，刘子羽去世。子刘珙，另有传记。吏部郎朱松将儿子朱熹托付给刘子羽，刘子羽同弟弟刘子..一心一意地教育他，后来终于成为大学问家。