刘伯承的军事生涯在元帅当中仅次于朱德，年龄也仅次于朱德，他从川军起步，在军阀混战中打出了名声，四川人都称他为刘“军神”，据说“军神”的叫法还源自一名外国人。
那是1916年3月，刘伯承率四川护国军第4支队扼守丰都，同攻城的北洋军展开激战，一颗子弹从右太阳穴打入，从右眼飞出，刘伯承立刻昏厥过去，当地市民以为刘伯承已牺牲，曾在城门口为他建立义冢，并立了一块“护国英豪刘伯承之墓”的石碑，1916年春夏之交，刘伯承到重庆请德国籍的沃医生对右眼动手术，第三次也是最后一次手术用了3个多小时，在手术过程中，由于设备简陋，只能实施局部麻醉，刘伯承经受了钻心似的疼痛，但一声不吭，手术做完后，沃医生看到刘伯承的上衣已经被汗水湿透，便关心地问道：“刚才的手术一定是疼痛难忍吧？”刘伯承笑道：“没有什么，不过动了74刀而已。”沃医生惊讶地问道：“你怎么知道？”刘伯承答：“阁下每割一刀，我便暗记一数。”沃医生感动和佩服不已，连连称赞他是“军神”，从此，刘伯承虽然永远失去了右眼，但他“军神”的名字不胫而走。
刘伯承军事素养高，又进过苏联的名牌军事院校，博古通今，学贯中西，是正规职业军人的楷模，他在军事指挥和军事学术上都有很高的成就，对中国军队正规化的影响最大。
红军时期，刘伯承主要是作为我军参谋工作领导人，为中央军委出谋划策，他与叶剑英先后交叉地出任军委总参谋长和红军学校校长，而一同被称为我军参谋工作和军事教育工作的“鼻祖”。
1930年7月底，刘伯承结束了在苏联的留学生活，经东北回国，到达上海，被任命为中共中央军委参谋部参谋长，作为我军的首任总参谋长，刘伯承完成了两项大的任务：
一是协助中共中央军委书记周恩来举办短期军事训练班，训练中共省、特委负责人和中央机关干部，增强他们开展武装斗争的能力，负责为训练班讲授暴动方略和游击战、运动战战术。
二是为中共中央军委翻译了《苏军步兵战斗条令》，校译了《苏军政治工作条例》、《游击队怎样动作》等材料，这些材料发到各革命根据地，促进了中国工农红军的早期建设。
1932年1月，刘伯承由上海经香港、汕头转到江西中央革命根据地，继萧劲光之后，担任工农红军学校校长兼政委，刘伯承一到任，便组织教员编写教材，这是我军的第一部步兵战术教材，刘伯承根据在苏联留学的经验和苏联红军的模式，提出了编写我军战术教材的参考依据是，目前红军的编制、现在的武器装备、红军作战的对象，学员的文化程度、作战区域的地理条件，以及数年来开展游击战争所取得的宝贵经验等，通过这些，使我军的军事教材第一次走向规范化。
同时，刘伯承又向中革军委提交了红军学校的工作报告，强调学校的训练要紧密联系战斗实际，不能本本主义地全套应用苏联红军的战斗条令和军事教程，当然，反动的军队的典范和教程，更不能照搬照用。10月上旬，刘伯承列席中共苏区中央局全体会议，因不了解苏区具体情况，支持了中央局多数人不同意毛泽东留在前方指挥的错误意见，10月中旬，刘伯承调任中国工农红军总参谋长。
1933年2月至3月，刘伯承协助红军第一方面军总司令朱德、总政委周恩来指挥中央革命根据地第四次反“围剿”，在黄陂、草台岗两战两捷，歼敌近3个师计万余人，取得了反“围剿”的巨大胜利。1934年10月，刘伯承因不满共产国际派来的军事顾问李德的专横跋扈和对自己的排斥，与李德发生争论，被撤销红军总参谋长职务，降为第5军团参谋长，12月18日，在中共中央政治局黎平会议后，又调回到中革军委恢复总参谋长职务，不久，兼中央纵队司令员。
1935年1月中旬，刘伯承在遵义参加中共中央政治局扩大会议，通过几年在中央苏区的战争实践，刘伯承逐步认识到毛泽东关于中国革命必须走农村包围城市、武装夺取政权道路这一理论的正确性，所以，他在会上发言时，坚决支持毛泽东的正确主张。
毛泽东重新回到中央领导岗位以后，知人善任，5月20日，任命刘伯承为红军先遣队司令员，负责指挥第1军团第1师第1团等进行战略侦察，并准备抢渡大渡河，5月22日，刘伯承与聂荣臻率先遣队和第1军团工兵连进入大凉山彝族居住区，正确执行共产党的民族政策，在冕宁彝家海子边与沽鸡族首领小叶丹歃血为盟，演绎了一出民族团结友好的佳话，使中央红军安全顺利地通过彝民区，赶到大渡河南岸的安顺场渡口。
红一、四方面军会师以后，中央政治局为了便于部队快速北上进军，决定把两个方面军混编成左、右两路军，根据协同分工，朱德总司令和刘伯承总参谋长与张国焘总政委率左路军北上，但是，张国焘却私欲膨胀，要独揽党政大权，他反对北上，要求南下，一开始，张国焘用利诱劝说的方式，想让德高望重的朱德和刘伯承支持他的南下策略，但朱德和刘伯承不为所动，还强调要张国焘认真执行中央的北上方针。
张国焘见软的不行，就来硬的，他召开会议，鼓动会场上的一些人起哄，要朱德发表反对北上的声明，这时，刘伯承站起来，扶正眼镜，从容不迫地反问道：“你们不是开党的会议吗？又不是审案子，怎么能这样对待总司令！”这一下一帮人又围了过来，有的指着刘伯承骂，有的指着朱德嚷，要赶朱德走。
10月5日，张国焘不听党中央和朱德等人的劝告，在理藩县卓木碉宣布另立中央，宣布“毛泽东、周恩来、博古、洛甫应撤销工作，开除中央委员会及党籍，并下令通缉，杨尚昆、叶剑英应免职查办。”对刘伯承，张国焘下令免去了他的总参谋长职务，降为四方面军红大校长；对朱德，张国焘撤不了他的职，就对其刁难、软禁，张国焘还派人多次盗走朱德、刘伯承的坐骑，但朱德和刘伯承淡泊名利，宁愿降职，宁愿不骑马，也不愿降低共产党员的纯洁性。
10月，红军三大主力在甘肃会宁会师，毛泽东得知刘伯承在红四方面军遭到张国焘打击报复，始终不改共产党员的先锋作用和革命的坚定性，连连称赞刘伯承的党性很强，骨头很硬，10月28日，毛泽东签署命令任命刘伯承为红军前敌总指挥部参谋长，12月，刘伯承被任命为中革军委委员、红军总参谋长、红军大学副校长。
抗日战争开始后，与刘伯承关系甚好的叶剑英继续在我军参谋领域担纲，被任命为八路军参谋长，而刘伯承的任职则发生了变化，从主要做参谋工作的领导人转变到担任独当一面的军事主官了，被任命为八路军第129师师长，从此，刘伯承由幕后走到前台，把战争理论与战争实践紧密地结合在一起，创造了中国革命战争史上的许多辉煌战绩。
1937年10月19日，刘伯承所部第385旅第769团在团长陈锡联率领下，夜袭代县阳明堡机场，焚毁日军飞机20余架，歼日军100余人，减弱了日军的空中支援力量，有力地配合了国民党军的忻口防御战，这是刘伯承指挥第129师打的第一个胜仗，也是继第115师取得平型关大捷之后，八路军部队又一个影响很大的胜仗。
10月26日，刘伯承命令第386旅第772团在娘子关以南的七亘村设伏，钳制日军的迂回进攻，掩护娘子关友军，七亘村是井(陉)平(定)小道的必经之地，这一段正好是十里峡谷，谷深数10米，底宽不足3米，地势十分险峻，刘伯承经过实地调查，选中了这个理想的伏击阵地，随即命令第772团在七亘村附近待机，26日拂晓，测鱼镇日军20师团的辎重部队在200多步兵的掩护下，向西开进，9时许，日军进入伏击区，战斗随即打响，激战两个多小时，共歼灭日军300余人，缴获骡马300余匹和一批军用物资。
当天，刘伯承得到情报：正太路西段的日军正向东运动，娘子关右翼的日军也正继续向旧关抄袭，据此，他判断七亘村仍然会是日军进军的必由之路，因为舍此别无通道，于是，断然决定还在七亘村给日军一个突然打击。28日晨，敌人的辎重部队果然循原路过来了，前后有100多骑兵，300多步兵作掩护，他们毕竟吃过亏，一路加强了搜索警戒，遇有可疑处便发炮轰击，11时许，日军进入了伏击地域，第772团第3营的机枪、步枪一齐响了起来，组成了严密的火网，这次伏击，击毙日军百余名，缴获骡马几十匹。
在同一个地点，在两天之后先后两次设伏，大获全胜，这在战争史上也不多见，创同一地点“重叠设伏”的成功范例，体现了刘伯承的艺高胆大，运用战术手段的炉火纯青。11月2日，刘伯承指挥第386旅在昔阳以东的黄崖底设伏，歼日军300余人。11月7日，刘伯承率第129师部队与第115师部队协同作战，在广阳、户封地区重创日军主力一部。
1938年1月后，刘伯承又与新上任的师政治委员邓小平一起，率部广泛开展独立自主的敌后游击战，又连续打了几个列为典范的伏击战，比如长生口、神头岭、响堂铺等。短短一年时间，刘伯承率部打了十余场堪称是具有教科书价值的名仗、好仗，并创建了晋冀豫和冀南根据地，这正是刘伯承把军事理论转化为军事实践的成功证明。
1940年8月20日至11月15日，刘伯承指挥所部参加了百团大战三个阶段的反“扫荡”作战，第129师所属部队在百团大战中共歼日伪军8000余人，破坏根据地内外的铁路、公路共500余公里，攻克和收复城镇据点共60余座，取得了巨大的战果，刘伯承曾对新华社记者发表关于百团大战的谈话，盛赞百团大战对推进全国特别是华北抗战的作用及取得的巨大战果。
解放战争时期是刘伯承最辉煌的时期，以劣势兵力纵横南北，率部打了一个又一个可圈可点的漂亮仗，如上党、邯郸、定陶、临浮、鲁西南、临汾、襄樊、郑州、淮海等诸多战役，还有历来为人所称道的千里跃进大别山，1947年8月，刘伯承与邓小平率部千里进军大别山，直插国民党军战略腹心地区并立足生根，对推进全国战局起了关键作用，这种以弱兵搏击取得战略后方的举措确实不同凡响，可谓神来之笔。刘邓通过时间换空间，逐步建立起较巩固的中原根据地和游击区，部队逐步积累起在中原的战略优势，为后来取得中原逐鹿和淮海大战的胜利打下了良好基础。
刘邓大军挺进大别山是一般人所不能打或打不好的难仗，千里跃进而不要后方，基本上是败多胜少的恶仗，红军的长征、抗日战争后期的359旅远征、中原突围，都是艰苦卓绝、伤痕累累的壮烈远征。在刘邓大军千里跃进之后，毛泽东曾经计划让粟裕率领华野主力渡江南进，千里蛙跳至闽浙赣，给敌人以相当的威胁和牵制，因其前景的不可预测，经过粟裕斗胆直陈的分析和毛泽东最后从谏如流的让步，并及时采纳了部下的意见，取消了南进方案。
刘伯承的综合秉赋非常高，被人们盛赞为当代中国难得的军事家，甚至敌方的名将白崇禧也称他是“共军第一号悍将”。刘伯承在长征后期受中央的派遣到红四方面军加强领导工作，他见证了红四方面军鼎盛时期达到8万之众的辉煌，同样看到了在张国焘的错误领导下，红四方面军倾力南下误入歧途，兵败四川，由盛而衰的窘况，也感受到了以红四方面军为主组成的西路军，在西征途中遭遇的惨烈的失败之痛，所幸，在随后的抗日战争和解放战争中，中央果断让刘伯承担纲执掌这支曾经大起大落的部队。
接着，从八路军第129师，到晋冀鲁豫军区，再到中原野战军，最后到第二野战军，刘伯承和他的最佳搭档邓小平一起，一点一滴，一步一步，把这样一支并非主力的部队打造成了一支誉满中外的名军。刘伯承以一位著名军事家的卓越指挥艺术和精湛统驭能力，率领第129师直至第二野战军，与其他各大野战军一起，为中国人民革命战争的胜利建立了巨大功勋，不愧为一代“军神”。
刘伯承一生军事著述颇丰，重要著述已收入《刘伯承军事文选》，刘帅的军事理论家地位很高。抗日战争时期发表《论游击战与运动战》、《对目前战术的考察》等著作，系统阐发了敌后抗日游击战争理论。关于人民革命战争中人民军队的作战，刘伯承认为要注重三点：
一是作战特点：在于把战术与群众的斗争结合起来运用。要以民兵(群众武装)为“肉”，游击队(地方武装)为“筋”，正规军(基干军)为“骨”，形成一个动作一致的有机“拳头”，陷敌于四面楚歌之中。
二是作战形式：实行综合群力的战争，游击战、运动战和阵地战，开展“到处都有”的全面游击战。游击战与运动战是相互融合贯通并适时灵活地转换，贯通的“环”就是趋利避害的机动。
三是辩证指挥：作战指挥上，指挥员和司令机关要随时随地周密研究任务、敌情、我情、地形和时间这五个对作战最有影响的要素，即“五行”，据此定下正确的作战决心，即“五行术”。
刘伯承的军事理论，一篇篇，一章章，不论古今中外都能引经据典，而运用起来又能比拟通俗，深入浅出，讲到运动战，他就比画个“伸拳头打汉”，能缩方能伸展；论到不与强敌争一日之短长，他就比喻为“乞丐与龙王爷比宝”；关于破釜沉舟，与黄维兵团拼死一搏，他用了“瘦狗屙硬屎”的谐语，使二野的将领心领神会。
