劉光第幼年時，父死家貧，母親王氏在艱難竭蹶中，咬牙送子讀書。雖然家里窮得每天只能買三文錢豆渣作菜，但她仍對劉光第督學極嚴，劉光第亦發憤讀書，往往是三更回家
，雞鳴即起。光緒六年（1880年），二十一歲的劉光第參加縣考，為案首（童子試第一名），得到縣官陳錫囹的賞識和幫助，得以繼續攻讀，游學于成都錦江書院。二十三歲中舉人，二十四歲中進士，授刑部廣西司主事。
劉光第在刑部供職達十余年。此間，他在北京南西門外修復了一座廢圃和幾間舊舍作為寓所。那里風景誘人，屋外柳樹下有一醴泉，泉水清澈如珠，蜂蝶翩翩而至，環境十分幽靜。劉光第居此期間，除上班例行公事外，不交往權貴，不應酬筵席，常是閉門讀書，埋頭著作。在刑部任職十多年，京中知道他的人還很少。當時刑部受賄成風，劉光第卻從不接受，而且辦事十分謹慎，一絲不茍。一次，刑部司寇因受賄某案．要他“枉法之”，遭到拒絕，因而得罪了上司，失去升官的機緣。這使劉光第看清了朝政的腐朽。
光緒二十四年（1898年）二月，以康有為、梁啟超為代表的變法維新運動，經過兩年多的醞釀逐漸走向高潮?？涤袨榘l起成為以救亡圖存為宗旨的“保國會”，劉光第偕同友人楊銳等欣然前往參加。四月十三日（6月11日），光緒帝在維新派的推動下，下詔“明定國是”，命康有為參贊新政，開始變法。七月，湖南巡撫陳寶箴以“器識宏遠，廉正有為”，向光緒帝保薦劉光第。在召見時，劉光第向光緒帝力陳“國勢艱危，與中外積弊，非力矯冗濫，無以圖治”的變法主張，對論詳直，為光緒帝所賞識。次日，光緒帝授予劉光第四品卿銜，軍機章京行走，與譚嗣同、楊銳、林旭合稱“軍機四卿”，參與維新新政，總攬朝廷的納諫大權。
這時的軍機處，實際上成了變法維新的參謀部。當時光緒帝變法之心甚切，下詔求言，廣開言路。因此，每日上奏的條陳多達數百起。劉光第與譚嗣同同值一班，整日批閱奏文，擬出處理意見呈光緒帝裁奪。在維新派的輔佐下，光緒帝頒布了“裁官、汰冗、節費、練兵、改科舉之舉，弛八旗之禁”等涉及政治、經濟、軍事、教育諸方面一系列詔書，以“決去雍弊”，使得“民心大振”。
維新變法觸犯了以慈禧太后為首的頑固派利益，朝廷內部斗爭加劇。劉光第目睹“國脈一絲懸鬼手”的朝局，深感“親貴握權，母后掣時”的嚴重性。他一方面憎恨以慈禧為首的守舊勢力，欲擺脫“當關老虎”，希望變法盡早獲得成功；一方面又想在激烈的政治漩渦中潔身自好。他在寫給弟弟的信中，就曾談到由于自己居官清廉，不接受官場風行的“炭別’一類賄賂，而在爭權奪利的朝廷中處境困難的事。他說，軍機處官員每年可分銀五百兩（貪婪者遠不止此），而他不愿分一文，往年倒賠之數尚小，現在“每年須于賠五百金”。又談到在為軍機處領班的親王做壽時，同僚們都去祝賀，惟他不往。他早有“罷去返鄉井”的打算，只是苦于無錢，而“現在皇上奮發有為，改圖百度”，變法尚有一線希望，自己又受到信住，因此“急切不忍去耳”。
七月二十六日（9月11日），湖南守舊黨曾廉給康有為。梁啟超羅織了很多罪狀，謂之“叛逆”，上書請殺。光緒帝交譚嗣同按條駁斥。譚嗣同表示愿“以百口?？?、梁之忠，若曾廉之言屬實，臣嗣同請先坐罪”。劉光第在一旁見了，也挺身而出，在譚嗣同的駁語后寫上“臣光第亦請先坐罪”。對于這事，梁啟超后來專門談過。他說；“裴村之在京師，閉門謝客，故過從希焉。南海先生則未嘗通拜答，但于保國會識一面。而于曾廉之事，裴村以死相救。嗚呼，真古之人哉！古之人哉！”
光緒二十三年（1898年）八月初六（9月21日），由于袁世凱的出賣，慈禧太后采取突然襲擊，將光緒帝軟禁起來，并用皇上的名義發布詔書，開始大肆搜捕和屠殺維新派。三天后，劉光第在軍機處被捕人獄。他堅信自己的事業是正義的，神態自若。翌日，在京做官的四川人聯名“具疏”，要求釋放劉光第、楊銳等人。刑獄因獄詞未具，欲審不能，見此著了慌。
八月十三日（9月28日），未加審訊，慈禧就下即行處斬之命。劉光第提出強烈抗議：“未訊而誅，何哉？”在去刑場的路上，他嘆息說：“吾屬死，正氣盡！”臨刑時，他又一次提出質問：“祖制雖強盜臨刑呼冤，當復訊。吾輩縱不足惜，如國體何？如祖制何？”監斬者無言以對。文質彬彬的劉光第在生命的最后一刻顯得異常頑強堅定。劊子手強按他跪下；他崛立不從，“神氣沖夷，譫定如平日”。受刑后，頭被砍了，身軀還“挺立不化’。圍觀的群眾莫不為之驚心動魄，有的甚至拿出香蠟紙燭為他招魂。
劉光第死后，鄉人把他的靈柩寄放在蓮花庵內，外省來吊唁的人數以百計，京城的吊唁者更多。人們都說“劉君不死”，看到他家十分窮困，紛紛捐款贈物，其中有個不知名的吊唁者，留下銀子百兩而暗暗離去。
劉光第自幼喜愛文學，著有《衷圣齋文集》和《衷圣齋詩集》。“衷圣齋”為劉光第自命之名。經后人增補，共收錄有包括家傳、墓志、游記、雜感等在內的散文54篇，詩歌260首。據說劉光第常常是“積稿逾尺厚”，他自己生前也說“新詩滿竹樹，未肯與人傳”，可知其作品散佚者甚多。
劉光第最喜讀杜甫、韓愈的詩，也擅長于作詩，其風格在韓、杜之間，題材以詠誦自然風光和感慨時事為多。他熱愛故鄉。巴蜀的津渡、幽林、古松、寺閣，以及生長在那里的蜻蜓、松鼠、八哥等，都成了他歌詠的對象。他留下的描寫號稱天下獨秀的峨眉山的詩就有四十余首，其中《峨眉最高頂》寫道：“白龍地上走輕雷，萬瓦如霜日照開。詩客人天爭秀骨，神僧埋地結真胎。三秦鳥道衣邊接，六詔蠻云杖底來。南北風煙通一氣，雪山西望是瑤臺?！彼芜^許多地方，在他的眼底，瑰麗的山河就是祖國的化身，而祖國河山，處處使他激動。面對大好河山被帝國主義的侵略所蹂躪，他的心在痛哭。他在《上鮑爵帥春霆時方大修第》詩中寫道：“將星耿耿鐘夔岳，時局艱難待枕戈。臣子傷心在何處？圓明園外野煙多?！鄙畛恋乇磉_了在祖國危難之際的一顆與祖國同呼共吸的“臣子”之心,他的《夢中凡》《遺憤》等詩，既對國外反動派的侵略本性以無情揭露，又對導致祖國倍受凌辱的國內反動勢力以詛咒，無不洋溢著他的拳拳愛國之心。
劉光第治學嚴謹，“醇粹嚴肅”。為文學昌黎，說理透徹，“氣骨森辣”，文筆洗練犀利。他還書法學顏真卿，練得一手好字，“時輩難于抗手”。
當劉光第的靈樞運回四川船過三峽時，沿江人民結隊相送，各碼頭紛紛燃香設供，臨江祭奠。沿岸纖夫，自動幫助拉船，有時多達兩百余人。由瀘州轉沱江，到達他的家鄉富順趙化鎮，家鄉人民家家執香祭奠，人人戴孝痛哭。從全省各地趕來吊唁的人，絡繹不絕。公祭文中有這樣的話：“漢唐遺穢，邦國其懷！溝壑能填，白刃已蹈。”意即：慈禧真像呂后、武則天那樣亂國亂政，殺戮忠良，而為了正氣，志士仁人甘愿灑熱血拋頭顱斗爭下去。在那樣的時代下，一個小鎮的人民能這樣自發地為劉光第舉行盛大的追悼會，敢說敢言，既是四川近代史上的壯舉，也充分表明“劉君不死”。
劉光第墓，原在趙化鎮羅漢寺，1984年，經自貢市人民政府批準，將劉光第先生骨殖遷葬于縣城五府山革命烈士陵園后部，供后人憑吊。由趙樸初為劉光第墓題寫了墓碑。
夢中失叫驚妻子，橫海樓船戰廣州。五色花旗猶照眼，一燈紅穗正垂頭。
宗臣有說持邊釁，寒女何心泣國仇。自笑書生最迂闊，壯心飛到海南陬。
插天菡萏是疑非，萬古名山布跡歸。香象渡河騰白足，澹峨江影照青衣。
寸心塵外尋煙客，一笑云端見王妃。綽約何人說冰雪，始知莊叟意深微。
梁啟超為之作傳，康有為作挽聯，稱“孤旌特表六人中”。而其他人士，亦予其高度評價：“政府寮友見者，謂君子于政事無新舊畛域，斟酌最平允焉。 ”
