劉金軒出生于1908年，湖南省祁陽縣人。1926年，國民黨誓師北伐，全國革命形勢高漲，在這種背景下，北伐軍進入湖南，并開始在湖南招兵。此后劉金軒報名參軍，因作戰英勇，他很快就被提拔為班長。

在這之后，劉金軒進入了國民黨第九路軍，成為一名副連長。1929年，他又被調到第九路軍第18師，繼續擔任副連長。18師的師長是張輝瓚，在第一次反“圍剿”期間，張輝瓚前往中央蘇區進攻紅軍。不過，18師很快就被紅軍包圍，并且全軍覆沒，劉金軒也被紅軍俘虜。

被俘虜后，劉金軒自愿加入了紅軍，成為一名紅軍戰士，并在1933年加入了我黨。此后劉金軒參加了中央根據地的第二到第五次反“圍剿”作戰，他也在戰斗中得到歷練，并成為紅三軍團的一名營長。

1934年10月，第五次反“圍剿”失敗后，劉金軒參加了長征，并于1935年秋天到達陜北。到達陜北后，劉金軒留守陜甘蘇區，負責保衛陜甘蘇區的安全。1936年10月，紅軍三大主力會師之后，劉金軒被調到了紅四方面軍，此后他參加了援西軍，奉命接應了西路軍余部。

抗日戰爭全面爆發后，劉金軒所在的部隊被改編為八路軍，此后他擔任了八路軍129師教導團訓練科科長以及129師385旅769團參謀長等職務，參加了晉冀魯豫根據地的反“掃蕩”作戰，打擊了日本侵略者的囂張氣焰。

1941年，劉金軒調任太行軍區第六軍分區副司令員，此后他率部參加了百團大戰、榆遼戰役、南關戰斗等，多次粉碎日偽軍對根據地的圍攻，為晉東南抗日根據地的鞏固與建設作出了重大的貢獻。

解放戰爭時期，劉金軒擔任了晉冀魯豫軍區第四縱隊12旅旅長，率領12旅孤軍西進，出擊陜南，經過一年多的艱苦戰斗之后，劉金軒攻克了洛寧、蘆氏、均縣等地，開辟了陜南根據地。同時，在開辟陜南根據地的過程中，他積極開展減租減息與反霸斗爭，創辦了陜南軍政學校，加強了根據地的建設，提高了我軍的戰斗力與影響力。

1948年，劉金軒率部參加了襄樊戰役，襄樊戰役之后他又參加了淮海戰役，尤其是在淮海戰役第二階段，劉金軒的部隊為全殲黃維兵團提供了可靠的火力支援。淮海戰役結束后，劉金軒率部重返陜南根據地，1949年，他擔任了十九軍第一任軍長，此后他又率部參加了解放陜西的多場重要戰斗，為革命的最終勝利立下汗馬功勞。

新中國成立之后，劉金軒參加了解放西南的西南戰役，并在解放西南過程中完成了上級下達的作戰任務，殲滅俘虜國民黨部隊近2萬人。1950年，劉金軒改任陜西軍區司令員，陜西軍區改為陜西省軍區后，劉金軒被調到西北軍區工作，此后他進入南京軍事學院高級速成系學習，畢業后擔任了64軍軍長以及鐵道兵副司令員等職務。

1955年授銜時，劉金軒被授予中將軍銜，成為開國中將。在1966年開始的那段特殊歷史時期中，劉金軒也受到了沖擊，身心受到了極大的迫害，不過，他立場堅定，愛憎分明，與造反派進行了堅決的斗爭。1975年，劉金軒重新復出工作，擔任了鐵道兵顧問。1982年，劉金軒離職休養，晚年他主要生活在北京，于1984年因病去世，享年76歲。