劉存厚生于一個鹽商家庭。光緒二十九年（1903年），考入四川武備學堂。光緒三十三年（1907年），劉存厚留學日本，入陸軍士官學校第六期步兵科，同期的同學有孫傳芳、閻錫山、唐繼堯等。

光緒三十四年（1908年），劉存厚畢業(yè)歸國，獲陸軍科舉人。此后，在云貴總督李經羲手下任云南陸軍講武堂戰(zhàn)術教官。期間，經李根源、羅佩金介紹，加入中國同盟會。

宣統(tǒng)三年（1911年）10月，為呼應武昌起義，劉存厚參加了蔡鍔發(fā)動的昆明重九起義。云南軍政府成立后，劉存厚任參謀部第一部部長。蔡鍔為支援四川的革命派而組織了援川滇軍，劉存厚被任命為該軍總參謀，隨軍入川。此后，劉存厚離開滇軍，轉投四川都督尹昌衡。

1912年4月，劉存厚任川軍第四鎮(zhèn)統(tǒng)制（后改為第四師師長）。1913年，二次革命爆發(fā)，劉存厚支持袁世凱，擊敗革命派的熊克武。9月，任重慶鎮(zhèn)守使，第四師的番號改為第二師。1915年，任川南清鄉(xiāng)總司令，駐瀘州。

同年12月，護國戰(zhàn)爭爆發(fā)，劉存厚支持護國軍。1916年1月31日，自稱護國川軍總司令，發(fā)布討袁宣言。劉存厚支援了進攻四川的蔡鍔護國軍第一軍，最終使四川將軍陳宧宣布獨立。

同年6月，袁世凱病死，劉存厚再度就任川軍第二師師長。8月，經四川督軍蔡鍔推薦，劉存厚任川軍第一軍軍長。9月，蔡鍔因病離職，滇軍的羅佩金任四川督軍，黔軍的戴戡任四川省長。此后，劉存厚為奪取四川省的統(tǒng)治權而同這兩人展開了三方斗爭。

1917年4月20日，劉存厚獲封將軍府崇威將軍。不久，劉存厚在三方斗爭中取勝，同年12月被北京政府任命為四川督軍。

后來，在護法運動中，他受到四川靖國各軍總司令熊克武的攻擊。6月，劉存厚撤退到陜西省寧羌（今陜西省漢中市寧強縣）。當時，劉存厚被北京政府任命為第二十一師師長，在寧羌設臨時的四川督軍行署，統(tǒng)治陜西省南部。劉存厚的殘暴統(tǒng)治激起了當時的陜西督軍陳樹藩的憤怒。

1920年5月，劉存厚與熊克武捐棄前嫌，聯(lián)手驅逐四川省內唐継堯手下的滇軍。8月，劉存厚任靖川軍總司令回到四川，熊克武攻略成都驅逐滇軍。同年12月，北京政府任命劉存厚為四川督軍，熊克武為四川省長。

但是，劉存厚對川軍軍人的統(tǒng)治強化，遭到川軍軍人反感。1921年2月，川軍軍人聯(lián)名致電北京政府弾劾劉存厚。同年3月，在四川省內喪失支持的劉存厚表示下野，撤往寧羌。此后，劉存厚避處寧羌，企圖重任四川督軍。1924年，北京政府任命劉存厚為川陜邊防督辦，督辦公署設在綏定（今四川省達州市達縣），支配周邊三個縣。

1928年10月，劉存厚轉投國民政府，任川康裁縮軍隊委員會副委員長。當時，劉存厚依然確保了綏定周邊實質自治，并獨立組織“興國軍”。他庇護了在北伐中敗北的吳佩孚，并就恩赦吳佩孚一事同國民政府進行了斡旋。

1933年5月，劉存厚被任命為第二十三軍軍長。10月，任四川剿共軍第六路總指揮，迎擊中國工農紅軍。同年10月，他遭到紅軍徐向前部大敗，喪失綏定，被蔣介石追究輕棄據(jù)點之責，罷免了本兼各職。此后，劉存厚的軍事及政治生涯結束，隱居成都。

1949年，大陸解放前夕，劉存厚在老同學閻錫山（時任國民黨行政院長）的幫助下，逃往臺灣，被聘為“總統(tǒng)府”國策顧問。1960年，劉存厚在臺北病亡。享年76歲（滿75歲）。

辛亥革命前后，四川軍閥劉存厚一貫反復無常，先歸附蔡鍔，后投降張勛、段祺瑞等，人們送外號“劉厚臉”。后來，孫中山派革命黨人樊孔周到成都進行革命活動，被反動派暗殺于家中，全身中彈數(shù)十處。

當時，有人推斷系劉存厚所為。革命黨人義憤填膺，編了一副對聯(lián)，既是對革命烈士的悼念，又是對反動軍閥的鞭撻。聯(lián)云：樊孔周周身是孔；劉存厚厚臉猶存。

1949年解放前夕，賴老同學，國民黨行政院長閻錫山之助，飛去了臺灣。劉到臺灣后，被聘為“總統(tǒng)府”顧問。1960年在臺灣病死，終年七十六歲。