刘歆认为“太极元气”是宇宙的根本，在元气尚未分化前，天、地、人混合为一。他相信天人感应之说，撰有《五行传》，内容与父亲刘向那部《五行传》相似。经学方面，刘歆认为《左传》、《毛诗》、《逸礼》及《古文尚书》都是源远流长的儒家经典，和已经立为学官的五经有同等价值[4]:150。他主张把这4部古文经都列于学官，批评当时太学博士所传习的经书并不完整正确，只是经历秦火后口传的记录，而古文经来自鲁恭王在孔子故居中的发现、宫庭藏书及民间的经师，更为可靠。刘歆引发今古文经的论争，受王莽重用时，他在太学为古文经设立学官。刘歆也注释了《尔雅》一书。和神化孔子的今文经学不同，刘歆认为孔子是历史学家、哲学家和教育家。

        目录学方面，刘歆承继父亲刘向校定宫中藏书的事业，撰成目录《七略》，着录图书603家，13219卷，各书名下都附有简略说明，乃节录刘向为每部图书所撰的解题“叙录”而成[7]:23-24。刘歆又把各书的叙录按《七略》的次序辑为《别录》20卷。《七略》体制严密而有系统，着录和总结了重要的文化典籍，反映当时的学术流派和思想体系，是《史记》以外西汉史学上的最大成就。历法方面，刘歆把西汉前期的太初历改编为三统历，后来收录在《汉书·律历志》[8]:174。音律方面，刘歆作《钟律书》，综合西汉末年音律家的意见，此书内容保存在《汉书·律历志》中。