刘知几，出生于一个世代官宦之家，属书香门第，曾祖刘珉为北齐唯阳太守，祖父刘务本为隋留县长，从祖父刘胤之“少有学业”，在隋时即与信都丞孙万寿、宗正卿李百药为“忘年之友”，曾与国子祭酒令狐德棻、着作郎杨仁卿等，一同撰成国史和实录，并因之授封阳城县男。
刘知几的从父刘延佑，进士及第，颇有文名，父亲刘藏器在高宗时为侍御史。监察御史魏元忠很称赞刘藏器贤能，高宗也打算提升他为吏部侍郎，因遭魏玄同的反对，便放他出为宋州司马。其执法如山，无所阿私，言词抗直，不畏权贵，甚至敢于批评当朝天子“用舍由情”、“失信”。刘知几有两位胞兄，长兄知柔，仲兄知章。知柔“性简静，美风仪”，与知几俱以善文词知名，在官也有善政，累迁工部尚书、太子宾客、封彭城县男。。
幼年时代的刘知几，多受父兄黛陶，颇善文词，这为他一生的学术事业打下坚实基础。夙好史学，也许受了从祖、从父的影响，更重要的乃是个人的志趣，其父能顺其秉性，采取了“因材施教”之法，调动了刘知几求学的积极性，使之顺利地踏上了史学道路。
刘知几走了一条自己的治学道路，他不走“精此一经”之路，“辞以获麟已后，未见其事，乞且观余部，以广异闻”。他博览古今史籍，目的是想了解“古今沿革，历数相承”，他“触类而观，不假师训”，凡所读书，粗知“叙事之纪纲，立言之梗概”。这种治学的目的和方法，一反经学笺注主义，为了通晓古今沿革变迁，采用的是“通古今之变”的方法。
在青少年时代博极群书，积累了融会古今的渊博学识，从而打下了一生的学问基础，这博通的治学道路是少年刘知几治学的又一特征。少年刘知几在十七岁前，对古今史籍“窥览略周”，已属不易，他在经、史之外，也读了大量文学的书。尽管他夙好史学，但家学传统的薰陶，父兄的言传身教，也颇喜诗赋。
二十岁后步入仕途，随着学识日进，逐步形成了自己对史学的看法，知几进士及第后，经吏部考试，授获嘉县主簿，这是一个正九品的小官，负责一县的文书，是县衙幕僚之首。知几在公务之暇仍潜心坟典，经史百家，无不涉猎，杂记小书，在所浏览。当时的京城长安和东都洛阳，自然是经济、政治和文化的两大重心，获嘉县地近两都，知几得以旅游京洛，饱览公私藏书。
刘知几登上仕途之时，适值武则天以皇后身分干政之际，她是实际上的执政者。到武则天统治的最后时期，社会政治紧张的局面方趋缓和。武氏急于培植拥护她的社会力量，取得士人支持，收天下之心，因而“大搜隐逸”，一时间官吏冗滥成灾。刘知几以刚直的态度，敏锐的政治眼光，上书请淘汰尸位素餐的官吏，又上书建议“刺史非三岁以上不可迁官”，针对当时赦有无度的弊端，提出“节赦”的主张。表陈四事，涉及于官吏的社会作用、选拔标准以及管理使用办法等诸方面的问题，而集中于对现实政治中妄授妄施等腐败现象的批判。
就在这个时期，刘知几写了一篇《思慎赋》，这篇赋既显露了刘知几的才华，也道出了他的苦闷，特别是抒发了他在苦闷之下经过冷静思考而痛下的志向。以知几之博学卓识之才，充任九品主簿，自然是大材小用，而且从弱冠之年入仕之始直到写《思慎赋》时已十五年没有迁升，感到仕途前程渺茫，这“思慎”只能是对现实的抗争。在盛唐的政治舞台上，刘知几身居仕班，但他没有成为政治家，是社会没给他提供机遇，唯其如此，他的精力又集中在学术事业上去了。
三十八岁的刘知几，在做了十九年获嘉县主簿后，调任京师定王府仓曹，这次调职，有两个因素在起作用。其一，此时的刘知几已经是闻名全国的学者，青少年时代已以文学知名，主簿任上多次上表，也展示了他的才华；其二，则天诏修《三教珠英》，以为刘知几是个人选，据《旧唐书·徐坚传》载：“坚又与给事中徐彦伯、定王府仓曹刘知几、右补阙张说同修《三教珠英》。”
刘知几辞去史任之后，出任太子中舍人，又为修文馆学士，开始私撰《史通》，详论史书之体例及内容，阐述自己对史学的见解，是中国第一部史学评论专着，对后世影响很大。
李隆基立为东宫太子，因为刘知几的“几”字同李隆基的“基”字同音，为避太子名讳，知几便废名而以字行，因称刘子玄。上述情况可知，知几在玄宗为太子时便得到提升，在政治上有了积极性，刘知几写《释蒙》一文，又皇太子李隆基将亲释奠于国学，主管部门草拟仪注，决定让随从官员都乘马着衣冠，刘知几以为不可，上议驳斥。
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刘知几与友人吴兢撰成睿宗、则天、中宗三朝实录，奏于执政，请援例恩赏。这是知几在修史任上卓有成效的国史、实录修撰，其中《睿宗实录》二十卷、《则天实录》三十卷、《中宗实录》二十卷。刘知几与吴兢合作主修了三朝实录凡七十卷，这是他撰成《史通》之后在史学上的又一重大贡献。除上述与吴兢合修三朝实录外，还曾单独撰修过《睿宗实录》及《太上皇实录》。还有同吴兢合修的《高宗后修实录》。这样，刘知几实际上参与了高宗、武后、中宗、睿宗四朝实录的修定工作。
四朝实录保存了大量的唐代前期的史料，《旧唐书》乃大抵抄撮唐代史料成书，包括吴兢、韦述等人相继撰述的《唐书》和各朝实录。刘知几对唐前期的正史史料得以详细地记载，做出了极大贡献。仅从这方面的成就而论，刘知几也不愧为一名称职的史官。朝廷奖励其修史之功，封他为“居巢县子”，实现了他多年的愿望。
刘知几的长子刘贶任太乐令，触犯法律而判罪流放，为此事，知几“诣执政诉理”，皇帝听到十分震怒，于是贬授他为安州都督府别驾，安州治在安陆县，就是今湖北安陆县北，已是远离京师。别驾，较之左散骑常侍，降级一品。旅途的辛劳，贬官的苦闷，使刘知几到了安州不久就去世了，追赠为汲郡太守，又追赠工部尚书，赐谥“文”。