刘基，字伯温，青田人。曾祖父刘濠曾在宋朝为官，任翰林掌书。宋亡之后，县城男子林融倡导义旅。事情败露，元朝派使臣将其同伙列成名册，许多人被株连。使臣中途留宿刘濠家，刘濠便将使臣灌醉，然后放火烧了他的宿舍，名册全被烧毁，使臣毫无办法，只得更改名册，被株连者都得以幸免。刘基自幼聪颖异常，他的老师郑复初曾对其父刘火龠说“：你祖德深厚，这个孩子日后必成大器。”元至顺年间，刘基考中进士，授为高安丞，获得廉洁正直的名声。行省要提升他，刘基谢绝离去。后来出任江浙儒学副提举，论御史失职之罪，被台臣所阻，刘基两次上奏弹劾，后弃官还乡。刘基博通经史，无书不读，尤其精于天文。西蜀赵天泽在评论江右人物时，首推刘基，将他比作诸葛孔明。
方国珍起兵海上，抢劫郡县，有关官员控制不了他，行省复任刘基为元帅府都事。刘基建议修筑庆元诸城威逼方国珍，方国珍为之气沮。等到左丞帖里帖木儿招降方国珍时，刘基说方氏兄弟首先作乱，不杀他们无以惩后。方国珍心里害怕，重贿刘基，刘基拒不接受。方国珍便派人从海路行船至京，贿赂掌权者。于是朝廷下诏招抚方国珍，授予他官职，而责怪刘基滥用权力，擅作主张，并让刘基离京去管理绍兴，方氏于是更加骄横。不久，山寇蜂拥而起，行省又召刘基前去剿捕，与行院判石抹宜孙一起驻守处州。经略使李国凤将其功劳上奏，主持政事者因方氏之故压制刘基，授他为总管府判，却不让他掌握兵权。刘基于是弃官归隐青田，著《郁离子》一书以明志。当时躲避方氏的人都纷纷投靠刘基，刘基稍做部署，贼寇便不敢来犯。
朱元璋攻下金华，平定括苍，闻知刘基及宋濂等人的名声，便以钱财招聘，刘基没有答应。总制孙炎两次写信坚决邀请，刘基始出。到了应天，刘基陈时务十八策。朱元璋大喜，马上命人建造礼贤馆让刘基等居住，对他们宠爱备至。当初，朱元璋因为韩林儿自称宋朝之后，对其遥相尊奉。每年年初中书省设御座行礼时，唯独刘基不拜，并说“：韩林儿只是一个牧童罢了，尊奉他干什么？”因此刘基去拜见朱元璋，陈天命之所在。朱元璋向他询问征取之计，刘基说道：“张士诚只顾保全自己，不值得担心。陈友谅则劫主胁下，名号不正，又地处上游，其心无日忘我，应当先谋取陈友谅。陈氏灭亡，张氏便势孤力弱，一举即可平定。然后北向中原，王业可成。”朱元璋十分高兴地说：“先生有什么好的计谋，尽管说出来吧。”当时陈友谅正攻陷太平，谋求东下，势力发展极快。朱元璋手下有人建议投降，有的建议逃往钟山，只有刘基瞪着双眼不说话。朱元璋便将他召入内室，刘基愤然说道：“主张投降或逃走的，应该斩首。”朱元璋便问：“先生有什么计策？”刘基回答：“陈贼已骄，我们可以待其深入，伏兵拦击，将其打败，这很容易啊。天道后举者胜，取威制敌以成王业，就在此举了。”朱元璋采用了他的计策，引诱陈友谅军到来，然后大败之。朱元璋以克敌之功赏赐刘基，刘基推辞不受。不久陈友谅军复陷安庆，朱元璋打算亲自率军征讨，以此询问刘基，刘基极力赞成，于是朱元璋率军进攻安庆。从早晨到暮色降临，仍未攻下，刘基请求直趋江州，直捣陈友谅的巢穴，于是全军西上。陈友谅始料不及，只得带领妻子儿女逃往武昌，江州遂降。其龙兴守将胡美派他的儿子前来表示投降的诚意，请求朱元璋不要解散他的部队，朱元璋面有难色，刘基从背后踢胡床暗示，朱元璋顿时醒悟，应允了胡美的要求。胡美遂降，江西诸郡全被攻下。
刘基丧母时，正值战事紧张，故未敢说，直到这时才请求还乡为母亲举行奠礼。恰好又逢苗军反叛，杀金华、处州守将胡大海、耿再成等，浙东形势动摇。刘基赶到衢州，首先为守将夏毅安抚诸属城，再与平章邵荣等谋划恢复处州，于是平定叛乱。方国珍一向害怕刘基，便致信刘基，对其母去世表示悼唁。刘基给方国珍回信，向他表明朱元璋的威德，方国珍于是向朱元璋进贡。朱元璋多次写信到刘基家询问军国大事，刘基都逐条地详细作答，都能切中要害。不久，刘基返京，朱元璋正要亲自率军支援安丰，刘基劝说道“：汉、吴都在伺机进攻，我们现在不可轻举妄动。”朱元璋不听劝告。而陈友谅知道这个情况后，乘机率军围攻洪都，朱元璋这才说道：“我没听你的意见，险些误失大计。”然后亲自带兵援救洪都，与陈友谅大战于鄱阳湖，一天交战数十次。朱元璋坐在胡床上督战，刘基随侍身旁，忽然跃起大呼，催促朱元璋赶快转移到别的船上去。朱元璋仓促转移到另一小船上，还未坐定，飞炮便将他原来所乘御船击得粉碎，站在高处的陈友谅见御船被毁，大喜。而朱元璋所乘之船只进不退，汉军都大惊失色。当时湖中战斗相持了三日，未决胜负，刘基请求移军湖口以扼住汉军出口，在金木相克的这一天与陈友谅军决战。结果，陈友谅战败，在逃跑途中毙命。其后朱元璋打败张士诚，北伐中原，终于完成帝业，其战略正像刘基筹划的那样。
吴元年(1367)，朱元璋以刘基为太史令，刘基呈上《戊申大统历》。荧惑星出现在心宿位，预示有兵灾祸乱，刘基请求朱元璋下诏罪己。天大旱，刘基请求处理久积冤案，朱元璋便当即命令刘基予以平反，大雨也就从天而降。刘基趁机请求建立法制，防止滥杀现象。朱元璋这时正要处决囚犯，刘基便问是什么原因，朱元璋将自己所做的梦告诉他。刘基说：“这是获得疆土和百姓的吉象，所以应当停刑等待。”三日之后，海宁归降，朱元璋很高兴，就将囚犯全部交给刘基释放了。不久，又授刘基为御史中丞兼太史令。
朱元璋即皇帝位后，刘基上奏制定军卫法。当初确定处州税粮时，仿照宋制每亩加五合，唯独青田县除外，太祖这么说道“：要让刘伯温家乡世代把此事传为美谈。”太祖巡幸汴梁时，刘基与左丞相李善长一起留守京城。刘基认为宋、元两朝都因为过于宽纵而失天下，所以现在应该整肃纲纪，于是便下令御史检举弹劾，不要有任何顾忌，宿卫、宦官、侍从中，凡犯有过错的，一律奏明皇太子，依法惩治，因此人人都畏惧刘基的威严。中书省都事李彬因贪图私利，纵容下属而被治罪，李善长一向私宠李彬，故请求从宽发落，刘基不听，并派人骑马速报太祖，得到批准，刘基便在祈雨时，将李彬斩首。因为这件事，刘基与李善长开始不和。太祖返京后，李善长便向太祖告状，说刘基在坛土遗下杀人，是不敬之举。那些平时怨恨刘基的人也纷纷诬陷刘基。当时正逢天旱，太祖要求诸臣发表意见，刘基上奏说：“士卒亡故者，他们的妻子全部迁往他营居住，共有数万人，致使阴气郁结。工匠死后，腐尸骨骸暴露在外，将投降的吴军将吏都编入军户，便足以协调阴阳之气。”太祖采纳了他的意见，但十天过后仍不见雨，故而发怒。此时恰好刘基的妻子死了，所以刘基请求告辞还乡。太祖正在营造中都，又积极准备消灭扩廓。刘基临走上奏说“：凤阳虽是皇上的故乡，但不宜作为建都之地。王保保不可轻视。”不久，定西之役失利，扩廓逃往沙漠，从那时起一直成为边患。这年冬天，太祖亲自下诏，叙说刘基征伐之功，召他赴京，赏赐甚厚，追赠刘基的祖父、父亲为永嘉郡公，并多次要给刘基进爵，刘基都固辞不受。
当初，太祖因事要责罚丞相李善长，刘基劝说道“：他虽有过失，但功劳很大，威望颇高，能调和诸将。”太祖说：“他三番两次想要加害于你，你还设身处地为他着想？我想改任你为丞相。”刘基叩首说道“：这怎么行呢？更换丞相如同更换梁柱，必须用粗壮结实的大木，如用细木，房屋就会立即倒坍。”后来，李善长辞官归居，太祖想任命杨宪为丞相，杨宪平日待刘基很好，可刘基仍极力反对，说：“杨宪具备当丞相的才能，却没有做丞相的气量。为相之人，须保持像水一样平静的心情，将义理作为权衡事情的标准，而不能搀杂自己的主观意见，杨宪就做不到。”太祖又问汪广洋如何，刘基回答：“他的气量比杨宪更狭窄。”太祖接着问胡惟庸，刘基又回答道：“丞相好比驾车的马，我担心他会将马车弄翻。”太祖于是说道“：我的丞相，确实只有先生你最合适了。”刘基谢绝说：“我太疾恶如仇了，又不耐烦处理繁杂事务，如果勉强承担这一重任，恐怕要辜负皇上委托。天下何患无才，只要皇上留心物色就是了。目前这几个人确实不适合担任丞相之职。”后来，杨宪、汪广洋、胡惟庸都因事获罪。三年(1370)，太祖授刘基为弘文馆学士，十一月，大封功臣，又授刘基为开国翊运守正文臣、资善大夫、上护军，封诚意伯，食禄二百四十石。第二年，赐刘基还归家乡。
太祖经常写信给刘基，询问天象，刘基都非常详细地逐条回答，然后将其草稿烧掉。刘基大致说，霜雪之后，必有阳春，现国威已立，应当稍微采用宽大政策来治理天下。刘基辅佐太祖平定天下，料事如神。他性情刚烈，疾恶如仇，经常与人发生冲突。直到现在他才隐居山中，只是饮酒下棋，从不提起自己的功劳。县令求见，被刘基拒绝，于是便穿着便服，装成乡野之人去见刘基，刘基当时正在洗脚，便让堂侄将他引入茅舍，以黄米饭招待。县令这时才告诉刘基“：我是青田知县啊。”刘基大惊，马上起身称民，然后谢罪离去，终不相见。刘基的行踪如此秘密，最终还是被胡惟庸中伤陷害。
最初，刘基说瓯、括之间有一块空地叫谈洋，南抵闽界，是盐盗的巢穴，方氏便是由此作乱的，故请设巡检司守卫，奸民为乱便不那么方便了。时逢茗洋逃兵反叛，官吏都匿而不报，刘基便令长子刘琏将此事上奏，但未先通报中书省。胡惟庸当时正以左丞相的身份主管中书省，对以前与刘基的过节怀恨在心，于是便派手下官员攻击刘基，说谈洋这个地方有帝王之气，刘基想将它作为自己的墓地，因为当地百姓不答应，刘基便请求设巡检司将百姓赶走。太祖虽然没有加罪于刘基，但颇为这些言论所打动，因而剥夺了刘基的俸禄。刘基心中害怕，入朝谢罪，然后呆在京城，不敢返乡。不久，胡惟庸当了丞相，刘基悲叹道“：若是我的话不应验的话，那便是苍生之福了。”遂因忧愤交加而发病。洪武八年(1375)，太祖亲自撰文赐给刘基，并派专人护送刘基返乡。到家后，病情加重，便将《天文书》授给长子刘琏，并说：“赶快送给皇上，千万不要让后人学习此书。”又对次子刘王景说：“为政之事，要宽猛交替。当今之务在于修养德行，减省刑罚，才能祈求上天保佑国运长久。那些战略要害之地，应当与京城遥相呼应，连成一体。我本想上奏一份遗表，但因胡惟庸当朝掌权，这么做毫无用处。有朝一日胡惟庸下台后，皇上必然要想起我，如果他向你问什么的话，便将我所说的密奏皇上。”回家仅住了一个月，刘基便去世了，终年六十五岁。刘基在京城生病时，胡惟庸曾派医生来给他治病，刘基吃了药后，腹中便出现了一个像拳头大的石头。后来中丞涂节首先揭发胡惟庸谋反一案，并且说是胡惟庸下毒将刘基害死的。
刘基满脸虬髯，相貌堂堂，慷慨而有大节，每当谈论天下大事，便义形于色。太祖知道他非常忠诚，对他委以心腹之任。每次召见刘基，都要避开他人进入内室，单独与刘基长时间密谈。刘基也自认为自己得不世之遇，所以在太祖面前知无不言。每到紧急危难关头，刘基总是勇气奋发，计策立定，人莫能测，闲暇之时，便敷陈为王之道，而太祖每次都洗耳恭听，常常称刘基为老先生而不叫他的名字，并说：“你就是我的张子房啊。”又说“：老先生多次以孔子之言来劝导我。”所以，太祖与刘基的帐中密语，世人所知不详，而世间所传为神奇的，大多只是一些阴阳风水之说，并非刘基的至理名言。刘基的文章气势浩大而奇妙，与宋濂同为一代宗师，他的著作有《覆瓿集》、《犁眉公集》流传于世。刘基有二子：刘琏、刘王景。