劉焉為西漢魯恭王劉餘之後裔，漢章帝元和（84年－87年）年間，劉餘一支徙封竟陵。
劉焉年輕時在州郡任職，因為宗室份而被授予郎中一職。延熹三年（160年），因老師祝恬（漢桓帝時司徒）去世而離職，在城山講學教授。後被推舉為賢良方正，被司徒府徵辟。歷任雒縣令、冀州刺史、南郡太守、宗正、太常等。
中平五年（188年），劉焉目睹漢靈帝治下朝綱混、王室衰微的狀況，故而向朝廷建議說：“刺史、太守行賄買，盤剝百姓，招致眾叛親離。應該挑選那些清廉的朝中要員去擔任地方州郡長，藉以鎮守安定天下。”他本人自請充任州牧，意藉此躲避世。
當時，益州刺史郤儉在益州大肆聚斂，貪婪風。本來想領州避禍的劉焉因為聽侍中董扶說益州有天子之氣，改向朝廷請求為益州牧。
於是以劉焉為監軍使者、益州牧，被封為城侯，命其前往益州逮捕郗儉，整飭吏治。因為道路不通，劉焉暫駐在荊州東界。
此時郤儉已被黃巾軍首領馬相等殺死，但是剛稱帝的幾日的馬相又被益州從事賈龍組織軍隊擊敗。賈龍於是迎接劉焉益州，治所定在綿竹縣。
劉焉上任後，任命賈龍為校尉，將他遷到綿竹居住。劉焉安收容逃跑反叛的人，極力實行寬容恩惠的政策，但心別有圖謀。
“五斗米道”首領張魯的母親長相麗，加上懂得神鬼邪說，和劉焉家有往來，劉焉就任命張魯為督義司馬，與別部司馬張修一起進攻漢中郡，殺漢中太守蘇固。
張魯在漢中得勢後，卻殺死張修，截斷通，斬殺漢使，劉張兩家由此結怨。
劉焉則以“米賊”作阻隔通為由，從此中斷與中央朝廷的聯絡。他進一步對打擊地方豪強，鞏固自勢力，益州因而於半獨立的狀態。
天下諸侯討伐權臣董卓之時，劉焉也拒不出兵，保州自守。犍為郡太守任岐及之前平有功的賈龍在司徒趙謙的遊說下起兵反對劉焉，趙謙又奉命率軍進益州，但是因賈龍等被劉焉擊殺，於是撤軍。
中原大之下，南、三輔一帶有數萬戶流民進益州，劉焉悉數收編，稱為“東州兵”。這支軍力在劉璋繼任後，雖然侵暴百姓並引起了不民患，甚至有一部分參與了反叛，但是也為平定趙韙的決定力量。
初平二年（191年），劉焉更造作乘輿車（天子所用的車架）千餘輛，稱帝。荊州牧劉表上言朝廷，稱劉焉“有似子夏在西河疑聖人之論（意指其圖謀不軌）”，由此，兩人結怨，荊州、益州兩州遂短暫斷絕通。
此後，劉焉稱病，讓朝廷將其子奉車都尉劉璋從京城派到益州，因為劉璋非劉焉長子，僅僅是劉焉第四子，朝廷同意，劉焉趁機將其留下。
至此，劉焉培植親信，逐漸加強對益州的控制，益州基本上屬於半獨立的王國（只是名義上沒有宣佈稱帝獨立）。
