刘桢五岁能读诗，八岁能诵《论语》《诗经》，赋文数万字。因其记忆超群，辩论应答敏捷，而被众人称为神童。

11岁时，因避兵乱，刘桢随母兄躲至许昌，在驿馆中结识曹植。曹植被刘桢的饱学所折服，为进一步深层密交，将其领到丞相府，日夜解文作赋，志同道合，关系日笃。后来他又结识孔融等其他五学子，他们常聚论学问，“仰齐足而并驰，以此相服”。

待其成年之后，刘桢希望际遇明君，施展自己的政治抱负。然而，汉末政治极为腐败黑暗，社会危机深重，统治者镇压黄巾军起义后，各地军阀据地称雄，中国陷入分裂、动乱之中。据有中国北方的曹操，政治较为开明，任人唯才，广揽文学之士。

这使得当时渴望中国统一、怀有济世抱负的有志之士，如山阳王粲、北海徐干、陈留阮瑀、汝南应玚，以及刘桢等，纷纷从四面八方奔赴曹操治下的邺城，一时人才荟萃，形成以曹氏父子为首的文学集团，并由于他们的诗文大多描写汉末动乱的社会现实，抒发统一、治国的豪情壮志，慷慨多气，悲凉豪壮，从而形成了“建安风骨”，对后世文学的发展产生了深远影响。

刘桢是建安文学集团的重要成员，与曹氏关系密切。在诗文中，他把曹操比作起于丰沛、统一中国的汉高祖刘邦；把曹氏的知遇，比作礼贤下士的信陵君（见《赠五官中郎将四首》）。他把统一中国的希望寄托在曹操身上。投曹之初，他被任命为丞相掾属，追随曹操南征北讨，参谋军机。