刘家三世传经，刘师培的曾祖刘文淇、祖父刘毓崧、伯父刘寿曾都以治《左传》新疏工作而名列《清史稿·儒林传》。刘师培的父亲刘贵曾为光绪间举人，著有《春秋左传历谱》、《尚书历草补演》、《抱瓮居士文集》等。母亲李汝蘐，是江都学者李祖望的次女，通晓经史。由于家学渊源，刘师培8岁起学《周易》，12岁时已读毕《四书》、《五经》。
1898年，父亲刘贵曾病逝，刘师培便由母亲李汝蘐授《尔雅》、《说文》，并向堂兄刘师苍问学。刘师培聪慧好学，博览群书，内典道藏、西方哲学，无不涉猎，尤精历史掌故，在经学方面打下了深厚的功底。1901年，他考取秀才，1902年参加江南乡试，中举人。
刘师培是经史世家的传人，其家藏书如海。刘师培十七岁即全部读完了家中的藏书，然后论史谈经，著书立说，在国学界被誉为少年大师，与年近不惑的章太炎齐名。
刘师培早年丧父，祖母怕他出外吃亏，将他禁锢于家，所以他虽名声在外，但世人皆不知刘师培何许人也。刘师培因科举考试失利，辱骂清廷被官府官府通缉，听说陈独秀、章士钊等人在上海办《苏报》，便来投奔。这日闲暇，陈独秀到章士钊寓所聊天，忽一满身污脏、蓬头垢面的少年叩门而入，对二人说：“我叫刘师培，从扬州家里逃出来的。”章、陈二人考其《左传》上的学问，始信此少年便是刘师培。
章太炎曾评价刘师培的治学道：“常人患不读书，而申叔读书过多，记忆太繁，而悟性反少，诚欲著书，宜三二载束书不观，少忘之而后执笔，庶可增其悟力云。”
在北大任教的三年间，刘师培讲授“中国文学”、“文学史”课程并出版了《中国古文学史讲义》。本书的出版使“文选”派在文派之争中获得胜利，并在文学史的教学与研究方面成为后世的典范。
刘师培家族几代传经，刘师培继承家学传统，研究《左传》，著有《春秋左氏传古例诠征》、《春秋左氏传例略》、《春秋左氏传答问》、《春秋左氏传时月日古例考》、《读左札记》等著作。同时，他还研究《周礼》，著有《周礼古注集疏》、《礼经旧说考略》、《逸礼考》以及《古书疑义举例补》、《论文札记》等作品，都有较高的学术地位。
刘师培在继承《左氏》家学的同时，运用近代西方社会科学研究方法和成果，研究中国传统文化，开拓了传统文化研究的新境界。他运用进化论思想研究古代社会生活，著有《论小学与社会学之关系》、《读书随笔》、《国学发微》、《小学发微补》等作品，具有开创性的意义。
刘师培三十多年的生命历程中，著作颇丰，其中关于论群经及小学者二十二种，论学术及文辞者十三种，群书校释二十四种。刘师培去世后，钱玄同等人将刘的文章整理编辑成《刘申叔先生遗书》。
1917年底，北大文、理、法三科各学门先后成立研究所，入研究所学习的学生成为研究员，刘师培兼任了文科研究所国文门的指导教师（类似于现在的研究生导师）。开始，他所指导的研究科目为“文”和“文学史”两个研究方向，定每月第二周和第四周的周四安排一个小时时间，分别与“文学史”、“文”两个研究方向的研究员进行研讨。后来研讨日期稍有调整，但仍是每月分别指导一次。从1918学年开始，刘师培所指导的研究科目调整为“经学”、“史传”、“中世文学史”、“诸子”四个方向。在所有国文门的教员中，他指导的科目最多，次为黄侃，指导三科，余者仅担任一科，如朱希祖、钱玄同、吴梅、周作人等。北大的这一工作为编纂完善的中国政治史和专门史打下了良好基础。但五四运动发生、蔡元培离京出走时，徐树铮乘机向北洋政府国务院提出由政府收回北大国史编纂处，直接隶属国务院，改称国史馆，北大的这项工作被迫中断。
1919年，北京大学出版了《中国中古文学史》，此书是刘师培在北大中国文学门任教时所编讲义，出版后很受学生欢迎，反响极大。
刘师培在《中国中古文学史》中，第一次把中古文学作为独立的研究对象，筚路蓝缕，功不可没。本书从政治、思想、风俗、时尚等方面阐述了文学发展变迁的大势和文体文风的演变历史。本书最大的特点就是广征博引，其引证资料的广博和慎密，堪称文学史著作的典范，而刘师培对史籍的熟稔程度，也令人叹服。本书以引用资料为主，表达观点为辅，在写作方法上，先罗列史料，间或夹杂刘个人的观点，再选录相关文章，进行印证，相互呼应。
刘师培是近代研究魏晋玄学的开创者之一，早在1905年，刘师培就在其著述《国学发微》中对魏晋玄学进行了较为全面的论述。魏晋时期是被学术界忽视的一个时代，1902年，梁启超在《论中国学术思想变迁之大势》中说魏晋时期是“中国数千年学术思想最衰落之时代”。但刘师培则认为魏晋南北朝时期“较周末诸子之自成一家言者岂有殊哉”，学术争鸣和创新程度不亚于周末诸子；又说魏晋玄学“撷佛老之精华，弃儒家之糟粕”，此一时期“不可谓非哲学大昌之时代”，对魏晋玄学给予了充分的肯定。
刘师培在日本期间，曾组织人手编译《共产党宣言》，他还撰写大量的文章介绍马克思主义学说。在所有的《共产党宣言》译本中，刘师培的水平被许多近代史专家公认是最高的。刘师培对马克思主义学说的研究和传播，在当时留日学生中引起了较大的影响。当时在日本早稻田大学攻读政治学本科的李大钊正是在他的影响下开始接触马克思主义学说，最后成为传播马克思主义的先驱，成为中国共产党的缔造者。
刘师培对早年参与政事很是后悔，他去世前对黄侃说：“我一生应当论学而不问政，只因早年一念之差，误了先人清德，而今悔之已晚。”
1936年冬，陈中凡在《刘师培〈周礼古注集疏〉跋》一文中说，1919年秋，刘师培临终前曾在北平家中谈起自己的生平学问，当时他感慨良深地说：“余平生述造，无虑数百卷；清末旅沪为《国粹学报》撰稿，率意为文，说多未莹；民元以还，西入成都，北届北平，所至任教国学、纂辑讲稿外，精力所萃，实在三《礼》；既广征两汉经师之说，成《礼经旧说考略》四卷，又援据《五经异谊》所引古《周礼》说、古《左氏春秋》说及先郑、杜子春诸家之注，为《周礼古注集疏》四十卷，堪称信心之作，尝移写净本，交季刚制序待梓。世有论定予书者，斯其嚆矢矣。”
“国学”一词始肇于清末。1902年秋，梁启超写信给黄遵宪提议为“保国粹为主义”而创办《国学报》，初提“国学”之名，后梁撰写《论中国学术思想变迁之大势》又提及“国学”一词。1905年2月23日，章太炎、刘师培、邓实等创办《国粹学报》，发刊词云：“刊发报章，用存国学。月出一编，颜曰国粹”，至此，正式用“国学”之名于报刊。