刘师培十七岁中秀才，第二年中举人，可谓少年得志，意气风发。翌年刘师培到北京参加会试，名落孙山。自命不凡的刘师培懊丧不已，在回家途中，刘师培不断发泄对会试的不满情绪，上至光绪皇帝下至主考官都一一粗口“问候”。行至扬州时，刘师培酒后狂态毕露，对科举制度大发议论，一一数落科举的弊病。刘师培肆无忌惮的言论惊动了官府，当时官府欲拿其问罪，刘师培得消息后，不敢再回仪征，直接从扬州逃到上海。
章士钊《孤桐杂记》写道：“申叔于光绪癸卯年夏间，由扬州以政嫌遁沪，愚与陈独秀、谢无量在梅福里寓斋闲谈，见一少年，短襟不掩，仓皇叩门趋入，嗫嗫为道所苦，则申叔望门投止之日也。时年不足二十耳。”
但梅鹤孙却说刘师培是突然离家出走，他在《刘氏五世小记》中记载：“这一天，舅氏忽然出外未归，举家皇急，派人四出寻觅。有人说看见他乘红船过江的。后来接到上海来信，其实当时是林少泉与他一同赴沪的。”
在上海，刘师培结识了章太炎、蔡元培、章士钊、陈独秀等人，在他们的影响下，刘师培迅速转变成一个反清斗士，从此绝意科场，投身民主革命活动。他反对满汉一体的论调，主张排满，在《苏报》发表《留别扬州人士书》、《中国民约精义》等文章，公开表明自己的革命立场。
刘师培投身革命后，更名为刘光汉，“光汉”为“光复汉族”之意，表示其反清排满之决心。
刘师培在《留别扬州人士书》中，呼吁创办新式学堂、鼓励出洋留学；在《论留学生之非叛逆》，公开表示支持学生运动。
1903年，俄国侵略东北，蔡元培等人发起“对俄同志会”，并创办《俄事警闻》，刘师培加入该会，并担任《俄事警闻》主笔之一。后1904年初，《俄事警闻》改名《警钟日报》，刘担任主编。
刘师培祖辈三代治《左传》，是不折不扣的旧式文人，但刘师培投身革命后，成为《中国白话报》的主要撰稿人，以白话文撰写文章宣传民主革命。
刘师培曾在《中国白话报》发表《论激烈的好处》一文，文字激昂，革命情绪高涨，并署名“激烈第一人”。刘师培在文中说，惟有激烈的手段可以唤醒和鼓动中国的民众，使他们不再安于现状，苟且偷生。一言以蔽之，中国的衰亡都误在“平和”二字，要治本就得激烈。
刘师培曾先后参加了蔡元培组织的军国民教育会、暗杀团，是光复会的首批会员，加入同盟会、国学保存会等组织。加入暗杀团时，先“设黄帝位，写誓言若干纸，如人数，各签名每纸上，宰一鸡，洒血于纸，跪而宣誓，并和鸡血于酒而饮之。其誓言则每人各藏一纸”。
1904年冬，刘师培等人谋划了刺杀王之春事件。王之春任广西巡抚期间，以事后转让广西全境路矿权为条件，向亨达利洋行借款，并向法国借兵镇压哥老会陆亚发、王和顺起义。王的所作所为让革命党人非常愤慨。王之春被免职后居上海，华兴会会员万福华与刘师培、章士钊、林獬、扬州学生陈自新密谋行刺，刘师培还将张继所赠手枪借与万福华，但刺杀时，子弹竟不出膛，万福华被王的卫兵逮捕。刘师培等人上楼一看，吓得赶紧将枪仍在地上，仓皇逃走。第二天，章士钊到捕房探望万福华，捕房尾随他到住处，搜出了制造炸弹的化学仪器、炼药炉灶等，张继、黄兴等十余人均被捕。刘师培亦被拘入捕房坐了一夜，捕房见其形色苍黄，言语支吾，一看就是怯懦书生，次日便将他释放。
次年三月，《警钟日报》因辱骂德国侵略者被查封，刘师培亦被租界巡捕房通缉，刘师培化名“金少甫”，先避往浙江，不久，又应陈独秀邀请来到安徽芜湖，先后任教于安徽公学、皖江中学。刘师培与在安徽公学任教的陈独秀、章士钊等人以教师身份作掩护，秘密组织了反清革命团体岳王会，培养暗杀人才。
刘师培曾发起编辑乡土教科书活动，他编写了《江苏乡土历史教科书》、《江苏乡土地理教科书》、《安徽乡土历史教科书》、《安徽乡土地理教科书》等教科书，激发国人爱乡爱国、保族保种的热情。
刘师培著有《攘书》，表示“攘除清廷，光复汉族”的决心。
1907年2月，刘师培应章太炎之邀偕同母亲、妻子何震及何表弟汪公权东渡日本，加入同盟会。刘师培很快成为章太炎主编的《民报》的主要作者之一。他在《民报》上接连发表《普告汉人》、《利害平等论》、《悲佃篇》、《清儒得失论》、《辨满人非中国之臣民》等文章，为革命摇旗呐喊。
刘师培的《辨满人非中国之臣民》是为驳斥梁启超所作，当时梁写《满洲为建州卫论》一文，汪精卫曾撰一文驳斥梁，但征引不充，辞气未达。之后，刘师培便撰此文，他在文中详细考证了满人历史沿革，最后得出满族是外夷，与汉族“不独非同种之人，亦且非同国之人”的结论。章太炎读完此文后，赞不绝口：“申叔此作，虽康圣人亦不敢著一词，况梁卓如、徐佛苏辈乎？”