他不仅文才出众,机敏雄辩之才也称道当世。曹丕在任五官中郎将时赠给刘桢一条廓洛带,后欲索回,便寄书一纸,调侃说:“夫物,因人而贵,故在贱者之手,不御尊之侧。今虽取之,勿嫌其不反也。”刘桢回道,“桢闻荆山之下王王卜光夭之后宝;隋侯之珠烛众士之好,南垠之金,登窈窕之首;凤貉之尾,缀待臣之帻,此回宝者,伏朽石之下,皆潜污泥之中,而扬光千载之上,发彩畴昔之外,皆未能初自接于至尊也。夫尊者所服,卑者所修也;贵者所御,贱者所先也。故夏屋初成而大匠先立其下,嘉禾始熟而农夫先尝其粒。恨桢所带无他妙饰,苦实珍异,尚可纳也。而未尚听至尊赐而反索者也。”曹丕十分欣赏。有一次刘桢因“不敬”被罚作苦力[2],在京洛之西石料厂磨石料。魏王曹操到石料厂察看,众官吏与苦力者均匍匐在地劳作,不敢仰视。唯有刘桢未跪,照常劳作。曹操大怒走到刘桢面前,刘桢放下锤子,正言道:“魏王雄才天下皆知,刘桢身为苦力,何敢蔑视尊王。但在魏王府数年,常闻魏王教诲,做事当竭尽力,事成则王自喜,事败则王亦辱,桢现为苦力,专研石料,研石是对魏王的敬忠,所以桢不敢辍手中活。”魏王听后,又问:“石若何? ”刘桢朗然答:石“出自荆山悬崖之巅,外有五色之章,内含卞氏之珍。磨之不加莹,雕之不增文,禀气坚贞受之自然,顾其理,枉屈纡绕而不得申。”
魏文帝曹丕在《典论·论文》中称刘桢与孔融、陈琳、王粲、徐干、阮瑀、应玚七子“于学无所遗,于辞无所假。咸以自骋骥于千里,以此相报。”他以诗歌见长,其五言诗颇负盛名,后人将他与曹植并称“曹刘”,为“建安七子”中的佼佼者。
刘桢之祖父刘梁,字曼山,一名恭。少有清才,以文学见贵,终於野王令,著有《破群论》等书。刘桢五岁能读诗,八岁能诵《论语》、《诗经》,赋文数万字。因其记忆超群,辩论应答敏捷,而被众人称为神童。后受曹操征辟,曾任丞相掾属、平原侯庶子、五官将文学。
建安二十二年(217年),刘桢去世。他的著述包括《毛诗义词》十卷,文集四卷。后人集有《刘公干集》传世。
据传死后转生为梁时县吏顾总(唐.牛僧儒 《玄怪录》载)