劉焉當過冀州刺史，但沒有當過幽州刺史。不過，當時還沒有天下大亂，地方官權輕，朝官權重，所以他後來被徵調到朝廷，先後擔任南陽太守、宗正、太常等職務。
靈帝末年，黃巾起義爆發，天下大亂，各地盜賊蜂起。劉焉認為漢朝可能已經沒有能力收拾河山，重新振興了，所以希望找一個地方避亂。所以，他向朝廷建議，刺史權輕，無法調動軍隊，應該選擇有威望的宗室，到地方擔任州牧，以加強權力，可以幫助朝廷穩定局勢。
所以，朝廷才同意，讓劉虞出任幽州牧，劉表出任荊州牧，劉焉一開始想的是去交趾，當交趾牧。因為交趾遠離中原，而天下大亂，受到衝擊比較嚴重的必定是中原地區，遠離中原的邊疆地區是容易穩定的。
但當時的儒學領袖、擔任侍中的董扶跟劉焉說，益州有天子氣。因為東漢的經學非常發達，所以讖緯也很發達，很多人都懂望氣之術，董扶又是當時的儒宗，劉焉本人也是著名儒學大家，所以董扶說益州有天子氣，劉焉就相信了。
剛好益州刺史郗儉在益州苛捐雜稅比較多，很擾民，在當地官聲不好，朝廷想換一個人，劉焉就得到了外放擔任益州牧的機會。
從漢朝的官制來說，州牧實際上也沒有軍權，但是如果州牧帶將軍銜，就有軍權，而朝廷給劉焉的名義是監軍使者，益州牧，又封為陽城侯，就既有軍權又有行政權了。董扶和太倉令趙韙立刻辭去朝廷的職務，跟劉焉一起入川。
就在這時候，涼州、并州都發生了叛亂，涼州刺史耿鄙和并州刺史張懿都被殺掉，涼州的一股叛軍流竄進入了益州境內，在益州境內也引發了比較大範圍的混亂，本來應當被送回朝廷受審的郗儉也被殺死。
益州從事賈龍組織了一部分軍隊，擊敗了叛軍，派人迎接劉焉，進入益州。劉焉進入益州後，吸取郗儉的教訓，廢除擾民的苛政，政策比較寬鬆，招撫各地的叛亂分子，很快就讓益州恢復了秩序。
張魯的母親這時候在益州境內，頗有姿色，加上又是天師道宗主，經常往來劉焉家裡。所以，劉焉在益州穩定之後，就派張魯為督義司馬，率兵前往漢中，進攻並殺死了漢朝朝廷委任的漢中太守，控制了益州和漢中前往漢朝京城的道路，隔斷益州境內與朝廷的聯繫。
如果說進入益州平定叛亂，穩定地方還是劉焉奉朝廷之命所做的事情，那麼派兵進佔漢中，就是明顯的有割據的野心了。
在佔領漢中之後，劉焉又找借口殺死了一些當地的豪強大族，在益州樹立個人的威信。董卓派這時候的漢朝司徒趙謙率兵進攻益州，並且聯絡犍為太守任岐及賈龍起兵，讓他們反對劉焉，也被劉焉派兵消滅。這樣，劉焉就基本上控制了益州的局勢。
隨著對益州的控制基本穩定，劉璋的野心越來越膨脹。此時中原因為董卓廢立天子，將漢獻帝劉協劫持遷往關中，已經秩序大亂。袁紹因為反對董卓廢立天子，所以不承認漢獻帝劉協，想李幽州牧劉虞為帝。與劉虞同為漢朝宗室且出名更早的劉焉自然也不甘人後。劉焉的野心就越來越明顯，在益州造了一些天子才能使用的器物，不臣之心越來越明顯。
在荊州的劉表就向漢朝朝廷上奏，告發劉焉有野心。劉表、劉焉和劉虞是當時地方實力派中最有名的級別漢朝宗室。袁紹有立劉虞為帝的意思，劉焉割據荊州，開始做稱帝的準備，劉表當然也沒閒著。他在穩定了荊州局勢之後，也私自郊祀天地，而郊祀天地本來是天子特權，劉表這麼做，就已經違反了禮制，暴露了明顯的稱帝意圖。
所以，劉表和劉焉其實都有稱帝的意思，劉表這時候上奏揭發劉焉，其實不過是為了給自己找一個進攻劉焉、佔領益州的借口而已。
本來劉焉的幾個兒子，有三個在朝廷擔任職務，劉璋也在其中，帶在劉焉身邊的，只有小兒子劉瑁。漢獻帝劉協得到劉表的告發之後，就讓劉璋去勸劉焉，結果劉焉把劉璋也留下來了。
劉焉的兒子劉范在長安，和馬騰共謀，串通劉焉，企圖起兵襲擊李傕，結果被擊敗，馬騰退回涼州，劉范被殺，劉焉的二兒子劉誕死在軍中。
劉焉進入益州境內的時候，因為原來的州治所經過兵亂，殘破不堪，就將州治所在地遷往綿竹。就在得到劉范、劉誕被殺的消息的時候，綿竹又發生了大面積火災，他之前準備的天子乘輿等都被燒燬。劉焉只好又將州治遷往成都。不久後，劉焉死去。
劉焉死時，本來有兩個兒子，劉瑁和劉璋都在益州，但屬下趙韙等人認為劉璋闇弱，易於控制，所以扶植劉璋繼位為監軍使者，益州牧。之後，劉璋又派趙韙出兵進攻荊州劉表，但趙韙率兵還沒離開益州境內，就率兵發動叛亂，回師成都，想取而代之。
漢末大亂的時候，南陽和關中的一些百姓逃亡進入益州境內，有幾萬人，劉焉進入益州之後，將這些人徵兵入伍，也就是東州兵。正是在東州兵的支持下，劉焉才能威服益州。
但是東州兵在當地橫行霸道，引起當地人反感，趙韙就利用當地人的反對，才有能力起兵反對劉璋。但東州兵知道這次如果劉璋戰敗，他們都得死，就拚命死戰，擊敗趙韙的軍隊，保住了劉璋。
劉璋繼位之後，張魯在漢中也越來越不聽劉璋命令，所以劉璋殺掉張魯留在益州的家屬，和張魯結仇。赤壁之戰後，劉璋先派張松向曹操歸誠，曹操沒有給好臉色，張松就轉而向劉璋建議，召劉備入川，可以抵禦張魯。結果，劉備入川後，反而奪取了益州。
劉備佔領益州後，將劉璋安置在荊州轄區內的秭歸，孫權襲殺關羽、奪取荊州後，仍然拜劉璋為益州刺史。劉璋死後，劉璋的兒子劉闡又被孫權拜為益州刺史，安置到交趾和益州接壤的地方後來，劉闡被吳國徵召還朝，擔任御史中丞。劉璋的另一個兒子劉循一直留在益州，為奉車中郎將。也就是說，劉璋的兩個兒子，分別在吳蜀兩國為官。
不過，劉璋這種情況在當時非常多。黃權在夷陵之戰後被迫投降魏國，一個兒子跟著他在魏國為官，但他還有一個兒子留在蜀國，一直為官。