刘焉当过冀州刺史，但没有当过幽州刺史。不过，当时还没有天下大乱，地方官权轻，朝官权重，所以他后来被征调到朝廷，先后担任南阳太守、宗正、太常等职务。
灵帝末年，黄巾起义爆发，天下大乱，各地盗贼蜂起。刘焉认为汉朝可能已经没有能力收拾河山，重新振兴了，所以希望找一个地方避乱。所以，他向朝廷建议，刺史权轻，无法调动军队，应该选择有威望的宗室，到地方担任州牧，以加强权力，可以帮助朝廷稳定局势。
所以，朝廷才同意，让刘虞出任幽州牧，刘表出任荆州牧，刘焉一开始想的是去交趾，当交趾牧。因为交趾远离中原，而天下大乱，受到冲击比较严重的必然是中原地区，远离中原的边疆地区是容易稳定的。
但当时的儒学领袖、担任侍中的董扶跟刘焉说，益州有天子气。因为东汉的经学非常发达，所以谶纬也很发达，很多人都懂望气之术，董扶又是当时的儒宗，刘焉本人也是著名儒学大家，所以董扶说益州有天子气，刘焉就相信了。
刚好益州刺史郗俭在益州苛捐杂税比较多，很扰民，在当地官声不好，朝廷想换一个人，刘焉就得到了外放担任益州牧的机会。
从汉朝的官制来说，州牧实际上也没有军权，但是如果州牧带将军衔，就有军权，而朝廷给刘焉的名义是监军使者，益州牧，又封为阳城侯，就既有军权又有行政权了。董扶和太仓令赵韪立刻辞去朝廷的职务，跟刘焉一起入川。
就在这时候，凉州、并州都发生了叛乱，凉州刺史耿鄙和并州刺史张懿都被杀了，凉州的一股叛军流窜进入了益州境内，在益州境内也引发了比较大范围的混乱，本来应当被送回朝廷受审的郗俭也被杀死。
益州从事贾龙组织了一部分军队，击败了叛军，派人迎接刘焉，进入益州。刘焉进入益州后，吸取郗俭的教训，废除扰民的苛政，政策比较宽松，招抚各地的叛乱分子，很快就让益州恢复了秩序。
张鲁的母亲这时候在益州境内，颇有姿色，加上又是天师道宗主，经常往来刘焉家里。所以，刘焉在益州稳定之后，就派张鲁为督义司马，率兵前往汉中，进攻并杀死了汉朝朝廷委任的汉中太守，控制了益州和汉中前往汉朝京城的道路，隔断益州境内与朝廷的联系。
如果说进入益州平定叛乱，稳定地方还是刘焉奉朝廷之命所做的事情，那么派兵进占汉中，就是明显的有割据的野心了。
在占领汉中之后，刘焉又找借口杀死了一些当地的豪强大族，在益州树立个人的威信。董卓派这时候的汉朝司徒赵谦率兵进攻益州，并且联络犍为太守任岐及贾龙起兵，让他们反对刘焉，也被刘焉派兵消灭。这样，刘焉就基本上控制了益州的局势。
随着对益州的控制基本稳定，刘璋的野心越来越膨胀。此时中原因为董卓废立天子，将汉献帝劫持迁往关中，已经秩序大乱。袁绍因为反对董卓废立天子，所以不承认汉献帝，想李幽州牧刘虞为帝。与刘虞同为汉朝宗室且出名更早的刘焉自然也不甘人后。刘焉的野心就越来越明显，在益州造了一些天子才能使用的器物，不臣之心越来越明显。
在荆州的刘表就向汉朝朝廷上奏，告发刘焉有野心。刘表、刘焉和刘虞是当时地方实力派中最有名的级别汉朝宗室。袁绍有立刘虞为帝的意思，刘焉割据荆州，开始做称帝的准备，刘表当然也没闲着。他在稳定了荆州局势之后，也私自郊祀天地，而郊祀天地本来是天子特权，刘表这么做，就已经违反了礼制，暴露了明显的称帝意图。
所以，刘表和刘焉其实都有称帝的意思，刘表这时候上奏揭发刘焉，其实不过是为了给自己找一个进攻刘焉、占领益州的借口而已。
本来刘焉的几个儿子，有三个在朝廷担任职务，刘璋也在其中，带在刘焉身边的，只有小儿子刘瑁。汉献帝得到刘表的告发之后，就让刘璋去劝刘焉，结果刘焉把刘璋也留下来了。
刘焉的儿子刘范在长安，和马腾共谋，串通刘焉，企图起兵袭击李傕，结果被击败，马腾退回凉州，刘范被杀，刘焉的二儿子刘诞死在军中。
刘焉进入益州境内的时候，因为原来的州治所经过兵乱，残破不堪，就将州治所在地迁往绵竹。就在得到刘范、刘诞被杀的消息的时候，绵竹又发生了大面积火灾，他之前准备的天子乘舆等都被烧毁。刘焉只好又将州治迁往成都。不久后，刘焉死去。
刘焉死时，本来有两个儿子，刘瑁和刘璋都在益州，但属下赵韪等人认为刘璋暗弱，易于控制，所以扶植刘璋继位为监军使者，益州牧。之后，刘璋又派赵韪出兵进攻荆州刘表，但赵韪率兵还没离开益州境内，就率兵发动叛乱，回师成都，想取而代之。
汉末大乱的时候，南阳和关中的一些百姓逃亡进入益州境内，有几万人，刘焉进入益州之后，将这些人征兵入伍，也就是东州兵。正是在东州兵的支持下，刘焉才能威服益州。
但是东州兵在当地横行霸道，引起当地人反感，赵韪就利用当地人的反对，才有能力起兵反对刘璋。但东州兵知道这次如果刘璋战败，他们都得死，就拼命死战，击败赵韪的军队，保住了刘璋。
刘璋继位之后，张鲁在汉中也越来越不听刘璋命令，所以刘璋杀了张鲁留在益州的家属，和张鲁结仇。赤壁之战后，刘璋先派张松向曹操归诚，曹操没有给好脸色，张松就转而向刘璋建议，召刘备入川，可以抵御张鲁。结果，刘备入川后，反而夺取了益州。
刘备占领益州后，将刘璋安置在荆州辖区内的秭归，孙权袭杀关羽、夺取荆州后，仍然拜刘璋为益州刺史。刘璋死后，刘璋的儿子刘阐又被孙权拜为益州刺史，安置到交趾和益州接壤的地方后来，刘阐被吴国征召还朝，担任御史中丞。刘璋的另一个儿子刘循一直留在益州，为奉车中郎将。也就是说，刘璋的两个儿子，分别在吴蜀两国为官。
不过，刘璋这种情况在当时非常多。黄权在夷陵之战后被迫投降魏国，一个儿子跟着他在魏国为官，但他还有一个儿子留在蜀国，一直为官。
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