1892年12月4日出生於四川省開縣趙家場。家境貧寒，自幼發憤苦讀，學習成績優異。在革命潮流的影響下，青年時代即萌發了富國強兵、拯民於水火的思想。1911年，參加了響應辛亥革命的學生軍。1912年考入重慶軍政府將校學堂。翌年參加四川討袁（世凱）軍。1914年加入孫中山先生領導的中華革命黨。在護國、護法等戰爭中，歷任連長、旅參謀長、團長。1916年3月在攻克豐都縣城的作戰中右眼中彈致殘。1923年在討伐北洋軍閥吳佩孚的戰爭中任東路討賊軍第壹路指揮官。足智多謀，驍勇善戰，被譽為川中名將。同年秋，結識了***產主義者楊暗公、吳玉章等。1924年起，隨吳玉章到上海、北京、廣州等地考察，在深入研究中國社會實際的過程中，經過認真探索，接受了馬克思主義，逐步實現了從愛國的民主主義者向***產主義者的轉變。
1926年5月加入中國***產黨，後任中***重慶地方委員會軍事委員會委員。同年12月，與朱德、楊暗公等發動瀘州、順慶（今南充）起義，任國民革命軍四川各路總指揮。率起義部隊與四川軍閥作戰，策應北伐戰爭，實現了中***中央關於抑止川軍東下威脅武漢的戰略目的。1927年春，被武漢國民政府任命為暫編第十五軍軍長。在大革命失敗的嚴重時刻，與周恩來、賀龍、葉挺、朱德等領導南昌起義，任中***前敵委員會參謀團參謀長。
1927年冬赴蘇聯，先入莫斯科高級步兵學校學習，後入優龍芝軍事學院深造。在此期間，在中國***產黨第六次全國代表大會上作了《對軍事問題補充報告》，並提出了《南昌暴動始末記》的專門報告。1930年夏回國，任中***中央軍委委員、長江局軍委書記。12月到上海，協助中央軍委書記周恩來處理中央軍委日常工作。
1931年奉命赴中央革命根據地。1932年1月，任紅軍學校校長兼政治委員。10月，任軍委總參謀長，協助朱德、周恩來指揮作戰，取得了第四次反“圍剿”的勝利。在第五次反“圍剿”中，因反對軍事指揮上的教條主義，被錯誤地撤銷總參謀長職務，任第五軍團參謀長。長征中，於1934年底重新擔任紅軍總參謀長，並兼任中央縱隊司令員，指揮先遣部隊強渡烏江，智取遵義。1935年1月，參加了遵義會議，在這中國革命的重大歷史轉折關頭，堅決擁護毛澤東的正確主張。會後，協助毛澤東、周恩來、朱德等指揮紅軍四渡赤水河。親率幹部團搶占皎平渡口，保證了部隊順利北渡金沙江。5月，任先遣隊司令，與政治委員聶榮臻率部為全軍開路。在進入大涼山時，貫徹執行黨的民族政策，與彜族部落首領小葉丹“歃血為盟”，使部隊順利通過彜族聚居區。接著，率紅壹師在安順場強渡大渡河。紅軍第壹、第四方面軍會合後，執行中***中央關於北上抗日的戰略方針，與朱德壹起同張國燾分裂黨的活動進行了堅決鬥爭。
抗日戰爭爆發後，任八路軍第壹二九師師長。1937年9月底，率部挺進山西，以太行山為依托，開展敵後遊擊戰爭。組織所部進行的夜襲陽明堡、設伏七亙村等著名戰鬥，痛擊了日軍的侵略氣焰。1938年起，與政治委員鄧小平、副師長徐向前等組織指揮了長生口、神頭嶺、響堂鋪以及晉東南反“九路圍攻”、冀南反十壹路“掃蕩”等戰役戰鬥，創建了晉冀豫抗日根據地。1940年，領導根據地軍民，在日偽軍控制的交通線上廣泛開展破襲戰。8月，指揮部隊參加著名的百團大戰，組織實施正太、榆（社）遼（縣）戰役，給侵華日軍以沈重打擊。在日偽軍加緊推行“囚籠政策”，分割和封鎖抗日根據地的嚴重形勢下，堅決執行主力地方化的方針，積極組織正規軍、遊擊隊和民兵相結合的遊擊集團，並組建大量武裝工作隊，實行“敵進我進”，向敵占區、交通線廣泛出擊，粉碎了日偽軍頻繁的“蠶食”和殘酷的“掃蕩”。同時多次反擊了國民黨反***頑固派對根據地的進犯。在抗日戰爭最艱苦的時期，與鄧小平等領導根據地軍民實行生產自給，減租減息，精兵簡政，使根據地得到了鞏固和發展。1943年9月赴延安參加整風運動。1945年出席黨的第七次全國代表大會。會後返回晉冀魯豫根據地，領導全區軍民舉行對日本侵略軍的大反攻。
解放戰爭時期，歷任晉冀魯豫軍區、中原軍區、第二野戰軍司令員。1945年9月起，與政治委員鄧小平率領所部反擊向解放區進攻的國民黨軍，指揮上黨戰役，壹舉全殲閻錫山部十三個師；接著，又揮師東向，發起邯鄲戰役，殲敵兩個軍大部，爭取了壹個軍起義。上黨、邯鄲戰役的勝利，創造了組織大兵團作戰和從遊擊戰向運動戰轉變的成功經驗，粉碎了國民黨軍控制晉東南要地和打通平漢鐵路的企圖，鞏固了華北解放區，掩護了我軍在東北的戰略展開，同時有力地配合了毛澤東、周恩來等在重慶同蔣介石的和平談判，對迫使蔣介石同意簽訂“雙十協定”、“停戰協定”，起了重要作用。1946年6月，蔣介石焊然發動全面內戰。與鄧小平率晉冀魯豫野戰軍，以大踏步進退的運動戰，十個月內連續組織了隴海、定陶、巨野、鄄南、滑縣、巨（野）金（鄉）魚（臺）和豫北等戰役，殲滅和鉗制了大量敵軍，解放了大片地區，與其戰場互相配合挫敗了國民黨軍的戰略進攻。
1947年6月底，根據黨中央關於由戰略防禦轉入戰略進攻的重大決策，與鄧小平率十萬大軍強渡黃河，挺進中原，實施中央突破，首先發起魯西南戰役，連續殲敵九個半旅，巧妙地調動和迷惑了敵人。隨後疾速揮師南下，千裏躍進大別山，深入敵腹心地區，威逼南京、武漢，揭開了人民解放軍戰略進攻的序幕。在遠離根據地、無後方作戰的困難條件下，依靠群眾，立足生根，多次打破敵人重兵圍攻。同年9月起，與出擊隴海線的華東野戰軍外線兵團、挺進豫西的陳謝兵團密切協同，在江淮河漢之間大量殲滅敵人。經過十個多月的艱苦作戰，擴大了中原解放區，迫使國民黨軍陷於被動防禦地位，對扭轉全國戰局起了決定性的作用。1948年11月，根據中央軍委決定，與鄧小平、陳毅、粟裕、譚震林組成總前委，統壹指揮華東、中原部隊進行規模巨大的淮海戰役，同徐淮地區的國民黨軍主力進行戰略決戰，取得了殲敵五十五萬余人的重大勝利。
1949年4月，參與指揮渡江戰役，並直接指揮第二野戰軍直出浙贛線，解放了皖南、浙西、贛東北、閩北廣大地區。南京解放後，兼任南京市軍事管制委員會主任、市長。同年冬，與鄧小平壹起指揮第二野戰軍和第四野戰軍壹部，在賀龍指揮的第壹野戰軍壹部配合下進行了西南戰役，出色地執行了中央提出的遠距離迂回包圍的作戰方針，拊敵側背，斷敵逃路，大量殲敵；同時通過軍事打擊和政治爭取，促成大批國民黨上層軍政人員率部起義和投誠，在較短的時間內解放了四川、雲南、貴州、西康四省。1950年1月任西南軍政委員會主席。領導軍民肅清匪患，恢復經濟，籌劃和平解放西藏的工作，為解放西南地區、鞏固西南邊疆作出了重要貢獻。
1950年底，任人民解放軍軍事學院院長，後又兼任政治委員。1954年起先後任人民革命軍事委員會副主席，國防委員會副主席，軍委訓練總監部部長。1957年9月調任高等軍事學院院長兼政治委員，1959年後負責軍委戰略小組工作。壹貫主張“治軍必先治校”，在軍事院校工作中堅持以理論和實踐相結合的思想指導教學和學術研究，在繼承和發揚人民解放軍優良傳統的基礎上學習外國軍隊的先進經驗。組織了大規模的教材編寫和翻譯工作，親自撰寫、審定和翻譯了壹批軍政教材。重視汲取各國現代軍事科學成果，是最早把教育訓練提到中國人民解放軍建設戰略的地位的領導人之壹。在繼承和發揚解放軍優良傳統的基礎上積極借鑒外軍先進經驗，為建立各軍兵種指揮院校，培養中高級幹部，推進現代化、中規劃革命軍隊的建設做出巨大努力。是馬克思主義軍事理論家，博采古今中外軍事理論的精華，創造性地運用於中國革命戰爭實踐。在用兵作戰中講究實事求是，敵變我變，並將唯物辯證法引入軍事指揮，豐富和發展了毛澤東軍事辯證法。同時，對於遊擊戰、運動戰、陣地戰和司令部工作以及部隊的教育訓練等均有豐富的論述，其軍事著作收入《劉伯承軍事文選》出版。是中***第七屆中央委員，第八至第十壹屆中央政治局委員，第二至第五屆全國人大常委會副委員長。
1955年被授予中華人民***和國元帥軍銜。1966年起任中***中央軍事副主席。1982年後，由於年齡和健康原因辭去黨政軍領導職務，1986年10月7日在北京逝世。