刘焉为西汉鲁恭王刘馀之后裔，汉章帝元和（84年－87年）年间，刘馀一支徙封竟陵。
刘焉年轻时在州郡任职，因为宗室身份而被授予郎中一职。延熹三年（160年），因老师祝恬（汉桓帝时司徒）去世而离职，在阳城山讲学教授。后被推举为贤良方正，被司徒府征辟。历任雒阳县令、冀州刺史、南阳郡太守、宗正、太常等官。
中平五年（188年），刘焉目睹汉灵帝治下朝纲混乱、王室衰微的状况，故而向朝廷建议说：“刺史、太守行贿买官，盘剥百姓，招致众叛亲离。应该挑选那些清廉的朝中要员去担任地方州郡长官，借以镇守安定天下。”他本人自请充任交州牧，意欲借此躲避世乱。
当时，益州刺史郤俭在益州大肆聚敛，贪婪成风。本来想领交州避祸的刘焉因为听侍中董扶说益州有天子之气，改向朝廷请求为益州牧。
于是以刘焉为监军使者、益州牧，被封为阳城侯，命其前往益州逮捕郗俭，整饬吏治。因为道路不通，刘焉暂驻在荆州东界。
此时郤俭已被黄巾军首领马相等杀死，但是刚称帝的几日的马相又被益州从事贾龙组织军队击败。贾龙于是迎接刘焉入益州，治所定在绵竹县。
刘焉上任后，任命贾龙为校尉，将他迁到绵竹居住。刘焉安抚收容逃跑反叛的人，极力实行宽容恩惠的政策，但内心别有图谋。
“五斗米道”首领张鲁的母亲长相美丽，加上懂得神鬼邪说，和刘焉家有往来，刘焉就任命张鲁为督义司马，与别部司马张修一起进攻汉中郡，杀汉中太守苏固。