1903年，刘师培在上海结识陈独秀，二人先后参与了《国民日报》和《警钟日报》的创办。刘师培因考场失意辱骂科举，遭到通缉而逃到上海。陈独秀因在安庆藏书楼发表了爱国演说，被端方通缉潜逃沪上。因有“同是天涯沦落人”相同际遇，又有强烈的反满情绪，二人过从甚密，时时相聚谈说志向。
1903年冬，陈独秀回到芜湖，创办《安徽俗话报》。临行之时，陈独秀送章士钊和刘师培诗云：“勤王革命皆形迹，有逆吾心罔不鸣。直尺不遗身后恨，枉寻徒屈自由身。驰驱甘入棘荆地，顾盼莫非羊豕群。男子立身惟一剑，不知事败与功成。”署名“陈由己”。刘师培深有感喟，在诗下题曰：“由己，由己，由一己所欲。”
回到安徽后，陈、刘书信往来频繁。陈独秀按时将《俗话报》寄给刘师培。陈独秀的朋友何梅士病逝后，陈独秀作《哭何梅士》诗，刘师培将发表在《警钟日报》上。后刘又向陈约稿，陈独秀作《夜梦亡友何梅士觉而赋此》。刘师培收藏了陈独秀此文的底稿，并在稿下戏道：“由己乎？不由己已，不由己已耳，不由己已耳矣！”
刘师培加入蔡元培等人组织“国民教育暗杀团”（即光复会的前身），并与章士钊同向蔡元培举荐“江淮志士”陈独秀。章士钊推荐陈的理由是：“此君志大心雄，有一种不峻之坡弗上的斗志，而且人格甚美，忠于人，忠于事，不乏侠士之风。”刘师培则说：“陈君还是吾报的作者。他重友情，讲信用，在芜湖创办并发行一种白话报，发起的若干人都因困苦及危险而散去了，他一个人还在干，已经支持了好几个月。”
陈独秀与皖江中学体育教员柏文蔚在芜湖成立暗杀组织。《警钟日报》被查封后，陈独秀邀请刘师培到皖江中学任教。不久，刘师培化名“金少甫”赴芜湖。刘师培来到后，往往以光复会的钦差大臣自居，而陈独秀不承认芜湖的组织与上海的组织是下级与上级的关系，刘与陈产生龃龉。
1907年，刘师培、陈独秀先后东渡日本。在日本时，刘师培与章太炎为“攘夺干部职权”，曾想拉拢陈独秀及苏曼殊。但陈独秀认为“光汉”是狭隘民族主义，拒不参与其中。
后刘师培投靠端方，端方入川受戮，刘师培被捕入狱。1912年初，得知刘师培的下落后，陈独秀上书孙中山，义保刘光汉。在给孙的上书中，陈独秀历数刘之功德，以“神经过敏”为之开脱。
1917年，陈独秀应蔡元培之邀担任北京大学文科学长。此时的刘师培身体虚弱，生计维艰，他告知蔡、陈，欲进北大任教。陈独秀、蔡元培不计前嫌，聘请刘师培为北大教授。
1918年，新文化运动蓬勃发展，刘师培执着于旧学，他纠集北大的一班守旧师生，创办《国故》杂志，对陈独秀的《新青年》对垒。
1919年6月11日，陈独秀被捕。次日，病魔缠身的刘师培在夫人何震的陪同下，强撑身体，与北京大学的新旧学者们一起联名上书，请求保释陈独秀。9月16日，陈独秀出狱。卧床不起的刘师培欲前往迎接，终因力所不逮作罢。
陈独秀出狱一个多月后，刘师培病情加重，陈多次前往看望。11月10日，年仅三十六岁的刘师培病逝，陈独秀主持了刘的丧礼，并引用康有为诗悼念亡友：“曲径危桥都历遍，出来依旧一吟身。”