1913年，刘敦桢考取官费留学日本。
1916年，入东京高等工业学校机械科，次年转入建筑科，1921年获学士学位。
1922年，回国任上海绢丝纺织公司建筑师，并与柳士英等肇建了第一所中国人经营的华海建筑师事务所。
1923年，又与柳士英等创设了苏州工业专门学校建筑科并任讲师，为国家培养了首批建筑工程方面的人才。
1925年，任湖南大学土木系讲师;1927年任中央大学建筑系副教授;1930年加入中国营造学社。
1933年，任中国营造学社研究员兼文献主任;
1943-1949年，在中央大学创立中国最早的建筑系，任中央大学建筑系教授、系主任，工学院院长;
1949年，中央大学改名南京大学，任南京大学建筑系教授。
1952年，南京大学工学院独立组建南京工学院，刘敦桢调任南京工学院(今东南大学)建筑系教授、系主任，华东建筑设计公司、南京工学院合办中国建筑研究室主任(该研究室的名称与隶属关系后屡经变更，并最终定名为:建筑工程部 建筑科学研究院 建筑理论及历史研究室 南京分室，刘敦桢任研究室副主任兼南京分室主任 )。
1951年，当选南京市人大代表;1954年，选为江苏省人大代表;1964年，被选为第三届全国人大代表。
1955年，被任命为一级教授和中国科学院技术科学部委员。
1956年，参加中国共产党。是江苏省土木建筑学会第一、二届副理事长。此外，还担任全国和省、市建筑学会的理事、理事长等职。
1957-1959年间，曾代表我国建筑界和文化界出访波兰、苏联和印度。
1968年5月10日，卒于南京，终年71岁。
主要成就
刘敦桢著有《佛教对于中国建筑之影响》、《北平智化寺如来殿调查记》、《大壮室笔记》、《明长陵》、《大同古建筑调查报告》、《易县清西陵》、《河北西部古建筑调查记略》、《河南北部古建筑调查记》、《西南古建筑调查概况》等论文，为中国古建筑研究树立楷模，毕生致力于建筑学教学及发扬中国传统建筑文化，着重民居和各地古建筑调查，创办中国建筑研究所，为中国建筑教育及中国古建筑研究的开拓者之一。编撰出版的《苏州古典园林》获1981年国家科技进步一等奖。编著有《中国住宅概说》、《中国古代建筑史》;撰有《北平智化寺如来殿调查记》、《西南古建筑调查概况》等论文;出版有《刘敦桢文集》(4卷本)、《刘敦桢全集》(10卷本)。
设计制作
刘敦桢所创办的华海建筑师事务所，在上海等地做了多项设计。后来他又在长沙设计了湖南大学教学楼和市内名胜天心阁，在南京设计了一批民用建筑以及中山陵前的光化亭、中央大学学生宿舍、食堂和中央图书馆阅览楼等。1960-1966年，对南京瞻园的改建，是他最成功也是最后的建筑制作，也是他对园林研究的具体实践。
建系方针
刘敦桢在中央大学建筑系的建系方针为:综合欧美与日本等国建筑学专业之所长，培养以建筑设计为主，加强建筑结构和建筑营造等工程知识，使其成为既具有广泛的科学知识和较好的设计与表现能力，又能妥善解决我国实际问题的建筑师。并制定学制为4年，课程按学分计算。这些原则不但成为该系数十年办学的依据，而且还成为兄弟院校新建这一专业的重要参考。
成就
刘敦桢对中国古建筑的辛勤研究和取得的成就，使他在学术界获得了崇高的地位和声誉。他在1933-1937年间在华北六省进行大量科研调查，共写出论文、调查报告、读书笔记等35篇，约65万字;与其他学者合撰论文7篇，30万字。他研究了我国古代官式建筑(宫殿、坛庙、寺观等)和"营造法式"、"工部工程做法"。抗日战争期间，他对云南、四川、西康等地古建筑的调查，填补了我国建筑史上一大空白。1950年，他参加了南京市和江苏省的文管会工作，对南京城内外的古建筑和古墓葬，进行多次调查，写出了修整或保护计划。1952年，开始了对国内传统民居的调查和研究。
著作与荣誉
1956年发表了专著《中国住宅概论》，在国内学术界掀起了对这一领域全面开展研究的热潮。后来，又开展了中国古典园林的研究，他率领助手们对苏州大、中、小典型园林、详细测绘，八、九年间绘制测绘图纸2000余张，摄影2万余幅，文字稿10万余字。此项工作因"文革"而中断，遗稿于1979年由他的助手和后人整理出版。出版后，蜚声中外，又被译成英、日文出版。他集中了建筑史学界和部分考古学界的老、中、青学术精英，主持、编写了《中国建筑简史》和《中国古代建筑史》，历时7载，改稿8次，终于在1966年成书。该书至今仍是重要参考书，1988年获全国高校优秀教材特等奖。
刘敦桢一贯对工作认真负责，严谨治学，严于律己，诲人不倦，热爱祖国，淡泊名利。抗战前夕，日军占领了东北和热河，知道刘敦桢曾留学日本又有古建筑特长，要他去承德为伪满整修避暑山庄，先给大洋10万。他在日军的威胁下，毫不犹豫地严词拒绝。
刘敦桢毕生的科研成就，后人已将他的学术论文等汇编为《刘敦桢文集》4卷，由中国建工出版社出版。
