刘光世字平叔，保安军人，刘延庆的第二个儿子。当初以荫补为三班奉职，历任..延路兵马都监、蕲州防御使。方腊起义后，刘延庆任宣抚司都统，派遣刘光世自率一军赴衢、婺州，出其不意击破方腊。方腊平定之后，朝廷命令刘光世为耀州观察使，升任..延路兵马钤辖。
当时宋朝正准备攻取辽燕蓟一带，刘光世随从刘延庆攻取易州，被授予为奉国军承宣使。金朝将领郭药师投降，刘光世又被任命为威武、奉宁军承宣使。刘延庆派众将乘虚直捣燕京，以刘光世为后续部队。刘光世没能按时赶到，众将失去支援而溃散，刘光世被降官三级。
河北盗贼张迪寇掠睿州地区，诏令刘光世前去征讨。刘光世说“：盗贼是乌合之众，佯装失败而邀击他们，敌势必然混乱可以攻取。”于是指挥骑兵退却。盗贼争相前进，刘光世率兵直冲贼阵之中，贼众大溃而逃。恢复承宣使职务，任..延路马步军副总管。
靖康元年(1126)，金军进攻汴京，西夏乘机入侵杏子堡。堡内有两座山对峙而立，地势险要，刘光世占据此地，敌人来到后败走。被擢升为侍卫马军都虞候。金军再次进攻汴京，刘光世率部增援，听说范致虚传告各路，准备率兵前往会合。恰逢朝廷下诏禁止军队增援，刘光世认为应该迅速前进，不能将诏令交给众人观看。不久前方溃兵来到，详细说明京城情况。众人害怕，刘光世假称蕃官从汴京来到，说徽、钦二帝突围南去，众人稍稍安定，进驻陕府。范致虚打算会合五路兵马前进同金军作战，刘光世阻止他，从另一条道路奔赴虢州，于是来到济州拜见康王赵构，被任命为五军都提举。
康王即皇帝位，任命刘光世为省视陵寝使，不久改任提举御营使司一行事务、行在都巡检使。斩杀山东盗贼李昱，升为奉国军节度使。平定镇江叛兵，改任滁、濠、太平州、无为军、江宁府制置使。在池州讨伐张遇，张遇看到刘光世军阵势说：“官军军容不整，可以击破。”当时湖水干涸，贼众越湖出现在官军背后，官军大乱，刘光世几乎被贼众俘虏，赖王德营救才得以逃脱。张遇顺江而上，刘光世重整军队追到江州，截断其后卫部队并将其击败。张遇又东下，刘光世追击到江宁。
建炎元年(1127)，朝廷因功加刘光世为检校少保，命他征讨李成。刘光世以王德为先锋，同李成在上蔡驿口桥相遇，将李成击败。李成收拾散卒再战，刘光世身穿儒服来到军中，李成远远望见白色衣袍青色伞盖，集中兵力围攻，王德冲破重围拉着刘光世出来。刘光世下令捉到李成的将把自己的官爵交给他。士卒争相奋击，再连战告捷，李成逃遁，活捉李成主要谋士陶子思。朝廷加刘光世为检校少傅。
高宗在扬州，金骑兵突然来到天长，刘光世率部迎敌，还没到天长而士卒溃散。高宗仓皇渡过长江，任命刘光世为行在五军制置使，屯驻镇江府，控制江口。不久加检校太保、殿前都指挥使。
苗、刘叛乱，他们一向害怕刘光世，朝廷升刘光世为太尉、淮南制置使。张浚在平江，快书驰告刘光世率兵勤王，刘光世不从；吕颐浩派使者到镇江劝说他，于是率兵到丹阳会合。军队前进时，刘光世用选卒作为游击，并分军殿后，在临平同苗翊、马柔吉军相遇，刘光世和韩世忠等人将其击败。到达高宗行营，升为太尉、御营副使。刘光世派王德协助乔仲福追击苗傅到崇安县，苗傅部众全部投降，苗傅本人只身逃脱。叛将范琼被俘，张浚派刘光世安抚范琼部众，又招降贼寇靳赛。高宗任命刘光世为江东宣抚使，守卫太平及池州，受杜充指挥。刘光世六次上书说不能接受杜充指挥，高宗大怒，诏令不要让刘光世进入殿门，刘光世才接受命令。
隆佑太后在南昌，议者说金军自蕲、黄渡过长江、从陆上疾行二百里就能达到这里，命令刘光世移驻江州作为屏障。刘光世到江州后，每天设宴喝酒会见朋友。金军从蕲州渡江，共三天，没有人知道。等到金军来到，刘光世军便逃遁，太后退到虔州。冯鰗送信给刘光世，说：“敌人深入我境犯兵家大忌。前进则面临高山，后退又背负长江，有百害无一利，在这种情况下他们还敢于横冲直闯，是因为前面没有抗拒，后面没有袭击追逐。太尉如选精兵亲自率领来到洪州，而故意给敌人让开一条归路，埋伏军队掩击敌人，可使敌人匹马不能返回。”刘光世没有能够采纳，从信州率兵到南康。郦琼包围固始县，刘光世派人招降他，又派王德在信州擒获盗贼王念经。
当时刘光世部队无所隶属，号称“太尉兵”，侍御史沈与求论说这样不当。恰逢御营司废罢，于是以“巡卫”作为刘光世部队的军名，命令刘光世任御前巡卫军都统制。诏令到行营，授予他为浙西安抚大使、知镇江府。刘光世说：“安抚控制一路，如果只守镇江，那么其他地方有警报，难以离开。希望另外任命守将，光世专任安抚使，从便设立安抚司。”当时刘光世考虑金军必然过江，因此预先选择有利的地方，高宗觉察到了这一点，只允许他增设镇江府通判。右谏议大夫黎确上奏刘光世选择便利之处谋求安乐，朝廷内外都很愤慨，高宗放过不加追究，加刘光世宁武军节度使、开府仪同三司然后遣回。刘光世乞求便宜行事，高宗没有答应。当时韩世忠、张俊兼任浙西制置使，刘光世又说本路遭受战火之后，不能胜任三处需求，于是罢免韩世忠、张俊的兼职。
当时金军留驻淮东，刘光世害怕敌人锋芒，楚州被围已有一百天，高宗亲自写信五次催促刘光世救援楚州，刘光世竟然不去；只派王德、郦琼率领轻兵前去，自己不时报告战果而已。楚州被攻破后，朝廷命令刘光世指挥各镇兵力，竭尽全力守卫通、泰地区。完颜昌屯驻承、楚州，刘光世了解金军希望北归，打算离间敌人。于是铸造金银铜钱，上面写着“招纳信宝”四个字。俘虏敌人不杀害，命令手持铜钱回营招降，有想归顺的，到江边执钱作为信物。前来归顺的络绎不绝，于是创立“奇兵”、“赤心”两军，完颜昌于是拔营退走。
绍兴元年(1131)，金军渡过淮河，真、扬州都缺乏守将，命令刘光世兼任淮南、京东路宣抚使，在扬州设立宣抚司，安排屯田，最终没有施行。张俊征讨李成，朝廷又命令刘光世分兵前往舒、蕲州捣毁李成巢穴，刘光世以江北盗贼没有平定为借口推辞。朝廷命令刘光世兼任淮南宣抚使，节领真、扬、通、承、楚州、涟水军。郭仲威图谋占据淮南和刘豫勾结，刘光世派王德把他擒获，吞并他的部众。范宗尹说“：刘光世军冗员很多耗费太大，请求将其中的老弱裁减下来。”高宗说“：等我亲自写信给他，如同家人之间的礼仪，才能使他不产生疑虑。”
刘光世以为干枯的麦杆长出麦穗是祥瑞的征兆，报告给朝廷。高宗说：“年景丰收民不缺粮，朝廷得到贤能辅佐，军队有十万铁骑，才是祥瑞的征兆，除此之外不足凭信。”淮北的民众有许多前来归附，朝廷命令刘光世兼任海、泗宣抚使以安置他们。五湖渔民夏宁聚众千余人，抢掠人口作为粮食，郭仲威余党出没淮南，邵青占据通州，刘光世都招降了他们。刘光世请求铸造淮东宣抚使印章，增加钱粮，增设将吏，朝廷都答应了他的要求。仍拨给镇江府、常州、江阴军米三十七万斛，作为军中一年的费用。
绍兴二年(1132)，朝廷又命令刘光世移驻扬州，不时到镇江视察军队。刘光世不接受诏令，入朝说：附近的贼寇产生疑虑，有可能激起事变，愿意依旧节制浙西作为根本之计。右司谏方孟卿弹劾他，请求召集宰执商议，使刘光世一定前往，刘光世仍以缺乏粮食为借口推辞。刘光世来到后，向朝廷进献缯帛、当地特产，高宗下令分赐给六宫，中丞沈与求认为不可，下命交还给他。
吕颐浩同刘光世有旧怨，颐浩准备出外巡视军队，首先说刘光世军兵员冗多缺乏训练，请求把他的军队调回朝廷。高宗说“：刘光世军粮饷不足，如果突然转移，必然溃散，应先犒赏军队然后精简才成。”吕颐浩到镇江，刘光世军果然报告缺粮，吕颐浩上奏刘光世军每月消耗二千万缗，请求派官查验核实。诏令御史江跻、度支胡蒙到军中点验，最终没有得到核实。高宗正倚赖刘光世成就功业，不久诏令两漕官员安排镇江酒税务，补助刘光世军费；又罢免织御服罗，节省七百万缗以补助刘光世军。朝廷命刘光世为宁武、宁国军节度使。刘光世上奏部将乔仲福、靳赛防卫长江有功，诏令进官一级，准予将官职转授给子弟。
刘光世坚决请求转调，给事中程王禹坚持以为不可，又说刘光世部队没有渡江，金军如果渡过淮河，必然震动江浙一带。刘光世正派人在宜兴湖汊之间考察地形，做后退自保的准备。诏令将奏章交给他看，刘光世依旧拖延时间不肯前进。
绍兴三年(1133)，命令刘光世与韩世忠对调，同时召他们到朝廷。授予刘光世为检校太傅、江东宣抚使。韩世忠来到镇江城下后，奸细入城焚烧府库，刘光世将他活捉，都说是韩世忠派遣的。韩世忠屯驻登云门，刘光世率兵出城，惧怕韩世忠杀死自己，改道赴白鹭店。韩世忠派兵在他后面袭击，刘光世上报朝廷。高宗派使者前来和解，并写作《贾复传》、《寇恂传》赐给他们。命令刘光世为江东、淮西宣抚使，设置宣抚司于池州，赐钱十万缗。
刘豫将领王彦先在淮河耀马扬兵，有渡过长江的意图。刘光世控制马家渡，派郦琼屯驻无为军，作为濠、庐州的后援，敌人才退走。刘光世奏请..延人李佾任..门祗候，议论者说刘光世涉及私情，因而作罢。金军、刘豫入侵，当时刘光世、张俊、韩世忠权力相当，并且都有私仇，高宗派侍御史魏石工到军中，劝说他们消除仇怨报效国家。刘光世于是写信给韩世忠、张俊，他们两人都回信问候。刘光世才开始移驻太平州以支援韩世忠。金军退后，刘光世入朝觐见，改为少保。高宗说“：你与韩世忠因小小嫌疑不和，但是大丈夫应当以气义相许，先国家而后私仇。”再次以汉光武时寇恂、贾复的事迹劝说他。刘光世哭着拜谢，请求以所开垦的淮东田地交换淮西的田地，给事中晏敦复说这样骚扰民众才停止，刘光世又请求加封自己的三位小妾为孺人，宋朝南渡以后，各大将加封妾的事例从此开始。恰逢朝廷改神武军为行营护军，以刘光世的部队称左护军。刘豫修筑刘龙城以窥伺淮西地区，刘光世派王师晟率兵击破，朝廷加刘光世为保静军节度使，刘光世于是领受三地节度使。
张浚巡抚淮河地区各军，刘豫依恃金军分路入侵，命令刘光世屯驻庐州招降刘豫部众，同韩世忠、张俊鼎足而立，杨沂中率精兵为后援。刘猊驱使乡民装成金兵，布列淮河地区。刘光世上奏庐州难以守卫，秘密同赵鼎联系，想返回太平州。张浚命令吕祉奔驰到军中监督军队，刘光世已经放弃庐州后退，张浚派人激励其部众说：“如有一人渡江，立即斩首示众。”刘光世迫不得已，驻兵同杨沂中相互呼应，派王德、郦琼领军从安丰出谢步，同金军相遇交战三次，都击败了敌人。张浚入朝上奏，说刘光世骄惰不战，不能当大将，请求罢免他。高宗令他同赵鼎计议，赵鼎说：“刘光世将门子弟，将士很多出自他的门下，罢免他恐怕动摇军心。”于是改为护国、镇安、保静军节度使。
右司谏陈公辅弹劾刘光世不守卫庐州，张浚说他沉酣酒色之中，不体恤国家大事，对他说到恢复中原，他便怫然不高兴，请求罢免放逐他。刘光世以疾病请求罢免自己军政职务，又将所剩余的财物献给朝廷。朝廷拜他为少师，充任万寿观使、奉朝请，封他为荣国公，赐给第一等府第，将他的兵力拨给都督府统辖。陈公辅又说刘光世虽已罢免，但拜他为少师，赏罚不明；中书舍人勾龙如渊又要求收回赐给府第的命令。高宗说“：刘光世罢去兵权，如果稍加一些恩惠礼遇，那么众将知道有后福，都努力报效了。”终于赐给他。当初，刘光世属下多是投降的盗贼，一向没有纪律；到这时，都督府命令吕祉统辖他的军队。郦琼杀死吕祉，驱使各军投降刘豫。
绍兴九年，沿用同金讲和对臣僚加官进爵的条例，赐刘光世为“和众辅国功臣”，欲进封他为雍国公、陕西宣抚使。其弟刘光远说他为议论讥讽，勾龙如渊当时任中丞，再次论说刘光世不能出朝重领军职，于是中止对他的封赏。绍兴十年(1140)，金军围攻顺昌，朝廷拜刘光世为太保，任三京招抚处置使，以援助刘钅奇。刘光世请求让李显忠任前军都统，又请求将王德拨隶自己。王德不愿受他指挥；李显忠进至宿、泗时，士兵大多逃散。进至和州，秦桧力主撤兵，刘光世被召回。刘光世入朝觐见，任万寿观使，改封为杨国公。病愈后，乞求免去其家庭的科赋徭役，中书舍人张广阻挠不下。去世时，五十四岁。赠他为太师，子孙、甥侄十四人都得到官职，谥号“武僖”。乾道八年(1172)，追封为安城郡王。开禧元年(1205)，追封为..王。
刘光世在众将中最先成为大将。对自身要求不严，统驭军队没有法纪，不愿意为国家担负重任，拖延剿寇时机，一心只为自己打算，被公众舆论诋毁。曾经入朝应对，说：“愿意尽力报国，他日史官将会记下我功绩第一。”高宗说“：你不能只是口说空话，应当付诸行动之中。”建炎初年，勾结宦宫康履以求自保。又早日解除兵权，随时势浮沉，不被秦桧所忌恨，因此能窃居宠荣终其一生，和韩世忠、岳飞相比，差得远了。