清光緒三十三年(1907)，以優異的成績考入常州府中學堂。
清三年(1911)，受聘於母校翰墨林小學任教，與吳等人合編《江陰雜誌》。辛亥革命時，他到清江參加革命軍，擔任謝文。
民國元年(1912)二月，因不滿軍隊內部混亂，回到家鄉。同年3月，劉半農和哥哥劉天華到上海謀生，在明凱劇社當編輯。
民國二年春(1913)，在中華書局做編譯。他勤於寫作，在時事新聞和小說界發表了40多部由他翻譯和創作的小說，介紹了安徒生、大仲馬、托爾斯泰、屠格涅夫、高爾基等著名作家的作品。
民國六年(1917)在《新青年》發表《文學改良之我見》等文章，對文學革命從形式到內容都提出了深刻見解。同年夏，北京大學校長蔡元培受聘為北京大學中文系教授。
民國七年(1918)參與編輯《新青年》。同年3月，《給王京選的回信》壹書在《新青年》上發表，尖銳地駁斥了反對文學革命、維護封建舊文學的觀點。
民國9年(1920)春，劉半農赴歐洲深造，先入英國倫敦大學學院從事語音實驗室工作。
民國十年(1921)，轉到法國巴黎大學，聽課，主攻實驗語音學。
民國十四年(1925)獲得法國國家文學博士學位，成為第壹位獲得以外國名義授予的最高學術頭銜的中國本土人。8月，劉半農在回國的船上寫了壹首詩《教我如何不去想她》。同年秋，劉半農被任命為北京大學中國文學系教授，並兼任北京大學研究院中國文學系導師。他建立了語言和音樂法律實驗室，成為中國實驗語音學的創始人。
民國二十二年(1933)四月，錢等12人聯名在報紙上為公開安葬李大釗烈士發出募捐書，並題寫墓碑墓誌銘。
民國23年(1934)6月，為了完成四聲、方言詞典、漢語方言圖的編纂，他冒著酷暑，深入綏遠、內蒙古等地調查方言土語。不幸感染回歸熱，於14年7月在北平病逝，享年44歲。