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》
。
哀帝即位時，劉歆建議將《左氏春秋》及《毛詩》、《逸禮》、《古文尚書》皆列於學官。哀帝下沼征詢臣下對立《左傳》博士的意見，同時讓劉歆去跟今文經博士們討論經義。今文博士“不肯置對”，拒絕設立古文經博士的建議。
這使劉歆十分惱火，他立即寫了一篇駁斥太常博士的書文。
劉歆的《移讓太常博士書》，是漢代經學史上一篇重要文獻。它首先肯定了孔子與六藝的關係，認為孔子正樂、《雅》、《頌》，修《易》，序《書》，製《春秋》，“以紀帝王之道”，“夫子薨而微言絕，經曆戰國和暴秦”，“道術由是遂滅”。漢興七八十年間，雖然經書頗出，廣立學官，建置博士，但是，“離於全經，固已遠矣”。接著，書中披露了孔壁古文《尚書》與《逸禮》發現的事實，
劉歆介紹了秘府所藏左丘明撰的《春秋》古文本，指責太常博士們“保殘守缺，挾恐見破之私意，而無從善服義之公心。”最後強調指出，根據宣帝廣立《毅梁春秋》、梁丘《易》、大小夏侯《尚書》的成例，“義雖相反，尤並置之”，應當將古文經列為學官。“若必專己守殘，黨同門，嫉道真，違明詔，失聖意，以陷於文吏之議，甚為二三君子不取也”。
劉歆的言辭甚切，引起太常博士們的怨恨。
大司空師丹大怒，“奏歌改亂舊章，非毀先帝所立。”盡管哀帝袒護劉歆，以為“歆欲廣道術，亦何以為非毀哉？”但劉歆終究得罪了當權大臣，又為今文博士們所訕謗，被迫離京去當地方官。數年後以病免官，居家不出。
平帝即位，王莽操縱朝政，重新起用劉歆。王莽自比周公，號“安漢公”，追封周公和孔子的後代，追溢孔子曰“褒成宣尼公”。在這些活動的背後，包藏著王莽篡漢的禍心；而劉歆成了五莽政治陰謀的追隨者。
但這時劉歆倡導古文經學，已經喪失了學術意義，成為王莽政治陰謀活動的一個部分。
壬莽篡漢建立“新”朝後，劉歆成為國師，號“嘉新公”。王莽改製時，始稱《周官》為《周禮》，根據《周禮》而采取了一係列措施，“專念稽古之事”。
同樣，劉歆以古文經學服務於王莽的改製活動，建置《周官經》博士。
當時，左將軍公孫祿就對王莽說：“國師嘉信公顛倒五經，毀師法，令學士疑惑。”
但劉歆深受王莽信任，且劉歆的作為是得到了自己的首肯，所以，王莽並沒有責怪劉歆的意思。
劉歆多才多藝，還是一位傑出的天文學家，他編製的《三統曆譜》被認為是世界上最早的天文年曆的雛形。
此外，他在圓周率的計算上也有貢獻，他是第一個不沿用“周三徑一”的中國人，並定該重要常數為3。1547，隻略為偏差了0。0131。
所以，劉歆在王莽時代，以學問淵博，地位崇高而在天下聞名。天下讀書士人，都以得到他的接見，推薦與賞識而感到萬分榮幸。
劉歆見皇族子孫劉秀入京學習，就破例地抽空接見了劉秀一行。
劉歆認真地審視著劉秀。看見這個與自己同名的青年男子，是那樣氣度非凡，從容不迫。他不卑不亢，英俊瀟灑，身材挺拔，氣宇軒昂，那個神秘的讖言一下湧進了劉歆的心裏。
劉歆仔細地端詳著劉秀，努力控製住自己激動的情緒。他心中那種莫名的預感一直強烈地充斥於他的心裏，那種說不清楚的強烈的震撼一直悸動著他的心靈。