劉歆在經學史上的第壹個貢獻是發現了壹批晚出先秦經書，使之免於佚失，由於劉歆的倡導宣揚，使這批古文經書為社會和士人廣泛得知，遂轉相傳習不輟。
劉歆在經學史上的第二個貢獻是開辟了以文字和歷史解經的新方法，為了發揚古文經，劉歆等人重視訓詁，不僅憑此以讀經，且據古文的字體筆意以解經。
劉歆在經學史上的第三個貢獻是打破了今文經學對儒學的壟斷，開啟了古文經學的發展道路。如果說是董仲舒開創了以微言大義說經的今文經學的話，那麽重視名物制度的古文經學就是劉歆開其山門了。
劉歆對“五經”古文經典的整理作出了很大的貢獻，他所特別愛好且最有研究的是《左傳》。漢哀帝即位時，劉歆建議將《左氏春秋》及《毛詩》、《儀禮》、《古文尚書》皆列於學官。哀帝下詔征詢臣下對立《左傳》博士的意見，同時讓劉歆去跟今文經博士們討論經義。 劉向、劉歆父子經過20多年的努力，圓滿地完成了中國歷史上第壹次由政府組織的大規模圖書整理編目工作，在這次校理群書的工作中，劉歆創造出壹整套科學的方法。為了對書籍的篇章文字等進行校正和勘定，他們首先兼備眾本，廣搜異本；然後選定篇目，去除重復；再後糾理錯簡，校讎文字；最後勘定書名，謄清新本，總***整理出圖書33090卷，收藏於天祿閣、石渠閣，建立了第壹個國家圖書館，並為先秦古籍的流傳，為圖書由官府收藏走向民間普及做出了重大貢獻。他們系統的古籍整理方法，使校勘、辨偽、考據等學問開始產生。
劉歆在其父劉向編纂《別錄》的基礎上進壹步加工，編成了壹部綜合性的圖書分類目錄《七略》，為中國第壹部圖書分類目錄，是具有學術史價值的著作。《七略》計七卷，其《輯略》為全書的敘錄，其余六卷，有《六藝略》、《諸子略》、《詩賦略》、《兵書略》、《術數略》、《方技略》，將著錄的圖書分為六個大類，38種，603家，13219卷。《七略》“辨章學術，考鏡源流”，對每種每類都加小序，說明其學術源流、類別含義等，不僅對當時的學術發展有很大的推動作用，對後世的目錄學更有著深遠的影響，成為中國目錄書的典範。著《移書太常博士》，是經學史上重要文獻，造有圓柱形的標準量器。根據量器的銘文計算，所用圓周率是3.1547，世稱“劉歆率”。
劉向、劉歆父子領導的校理群書的工作，創造出壹整套科學的方法。為了對書籍的篇章文字等進行校讎和勘定，他們首先兼備眾本，廣搜異本；然後選定篇目，去除重復；再後糾理錯簡，校讎文字；最後勘定書名，謄清新本。總***整理出圖書33，090卷，劉氏父子典籍整理的壹個重要工作是編制目錄，首先是在每壹本書校勘謄清後，由劉向父子集其篇目，敘其旨意，寫成敘錄，也就是後代的提要。然後，又將各書的敘錄集合壹起，按部類抄成壹書，稱為《別錄》。這主要是劉向完成的。最後是劉歆在《別錄》的基礎上進壹步加工，編成了壹部綜合性的圖書分類目錄《七略》。
劉歆本來從其父學習《詩》《書》《易》和《谷梁傳》，在經學上很有造詣。在勘校中秘藏書的過程中，他發現了用先秦古文抄寫的《春秋左氏傳》，特別喜愛。於是，他壹邊向研治《左傳》有師承的尹成和翟方進學習，請教書中的許多問題及其義理，同時，和父親劉向壹起討論、辨析《左傳》的內容。還以《左傳》“教授子孫，下至婦女，無不讀誦。”將《左傳》與當時已立於學官的《公羊傳》《谷梁傳》比較，他認為“左丘明好惡與聖人同，親見夫子，而公羊、谷梁在七十子後，傳聞之與親見之，其詳略不同。”《左傳》的價值，在《公羊》、《谷梁》之上。
今文經學：劉歆作為西漢末期的著名學者，他曾對西漢中葉以來盛極壹時的今文經學進行過尖銳批評。他認為今文經學分文析字，煩言碎辭，學者罷老且不能究其壹藝，根本無法達到用日少而畜德多，以對人民進行道德教化的目的，因此他要求存其大體、玩經文而已，盡快結束那種 壹經說至百余萬言的煩瑣的章句學風。除此之外，劉歆還對今文經學的以家法傳授的弊端進行了指責，認為他們信口說而背傳記，是末師而非往古 ，他們這樣做無非是要達到黨同門，妒道真的政治目的。劉歆的批評可謂壹針見血。 自西漢晚期開始，古文經學的振興是與劉歆的積極倡導分不開的。他在長期校理中秘書籍的過程中，接觸到大批外人無法看到的古文經籍，從而產生了濃厚的研究興趣，並做出了空前的成績。具體地說來，有以下幾點：
第壹，重新排列了六藝的次序，把《易》經提到首要的地位。同時，協助劉向將內朝秘藏中發現的《古文易經》校對當時通行的《易經》各種隸書本，把費氏《易》定為古文經典。自孔子以來，六藝次序總是以《詩》、《書》為先，然後壹般是《禮》、《樂》、《易》、《春秋》。劉歆認為，“六藝之文，……《易》為之原”。他對《易》頗有研究，認為《易》經由上古伏羲、中古文王、下古孔子三位聖人才完成的，故曰“《易》道深矣，人更三聖，世歷三古”，因此，六藝之首當推《易經》。從此以後，歷代誌書和目錄關於六藝的次序，均以劉歆的說法為準。至於《易》的流傳，西漢施氏、孟氏、梁氏、京房、費氏《易》、高氏《易》等等，都是隸書的抄寫本子。劉向、劉歆父子發現了戰國遺存的古文本，用來校對各種隸書本，結果只有費氏《易》與古文本相同，於是確定費氏《易》為古文經典。
第二，首次披露了《古文尚書》和《逸禮》的來歷，將秘藏的古文經本傳出內朝，使更多的士人有機會學習。魯恭王從孔子舊宅中發現了古文《尚書》與《逸禮》，後由孔安國獻給朝廷，藏於秘府。向、歆父子整理時，發現古文《尚書》比今文本多出十六篇，並對歐陽氏、大小夏侯氏三家今文本作了校核，發現了壹些脫字之處。劉歆在《移讓太常博士書》中，首次披露孔壁古書的事實，使朝野士人都知道還有《古文尚書》與《逸禮》的存在。這對推動古文經典的廣泛流傳起了重要作用。
第三，首次把《毛詩》歸於古文經典。劉歆少時通習今文《詩》學，後來才讀到《毛詩》。他根據內朝秘府的資料，知道“又有毛公之學，在謂子夏所傳，而河間獻王好之，未得立”。
第四，首次把《周官》稱為“經”，列入古文經典。《周官》名稱，始見於《史記·封禪書》，原來不稱“經”，與儒家經典沒有什麽關系。劉向、劉歆整理時，開始歸入“六藝略”禮類，稱之為《周官經》六篇。
第五，重新整理《左氏春秋》，探求全書的義理。從漢初直到漢成帝時，傳習《左氏春秋》的有北平侯張蒼、賈誼、趙人貫公、張禹、尹更始及其子尹鹹、翟方進、房風等人。由於“《左氏傳》多古字古言，學者傳訓訪而已。”劉歆校“中秘書”時，看到《左氏傳》古文本“大好之”。遂向丞相翟方進和亟相史尹鹹學習《左氏春秋》，質問大義。 羲和，西漢時稱太史令，王莽奪權後，把許多官名都改為上古時的官名。羲和是帝堯（約公元前21世紀）時的天文官，王莽就把太史令之稱改為羲和。劉歆任天文官時，做了壹項很重要的天文工作，這就是編制了三統歷，他對天文學的貢獻都記載在三統歷之中。
三統歷是根據太初歷改編的，其中加入了許多新的內容。太初歷是漢初天文學家鄧平、落下閎等人編制的，從太初元年（公元前104年）壹直使用到西漢末。劉歆系統地敘述了太初歷的內容，又補充了很多原來簡略的天文學知識，並仔細分析考證了上古以來的天文文獻和天文記錄，寫成了《三統歷譜》。
最早提出“歲星超辰”計算法：三統歷在中國天文學史上，首次提出了歲星超辰的計算方法。歲星就是木星，歲星超辰即：它在恒星背景上約每11.86年自西向東運行壹周。由於11.86年與12年很接近，我國古代就認為它是12年壹周天，因此把周天分為12分，稱為12次，認為木星每年行經壹次，12年正好運行12次，完成壹周天。由於11.86年的周期較12年要快壹點兒，因此經過若幹年後，歲星的實際位置就較按12年壹周天計算的位置超前壹次，這就叫歲星超辰。設歲星經過X年超辰壹次，按12年壹周天計，歲星運行了X次；按照11.86年壹周天計，歲星運行了12X/11.86-1，列成方程：x=（12x/11.86）-1，解這個方程，X=84.71，就是說，歲星每84年到85年超辰壹次。
劉歆還是中國古代第壹個提出接近正確的交食周期的天文學家。交食包括日食和月食。交食周期的最早記載，是在司馬遷的《史記》中，但由於可能是某些數字的錯亂，在劉歆所處的年代很難確定它的周期值。劉歆堅信日月食都是有規律可循的自然現象，他通過分析各種書上的月食記載，提出了135個朔望月有23次交食的交食周期值。