刘，字子汪，徐州彭城人，左骁卫大将军、东阳郡王刘廷珍之子。少孤，振武节度使范希朝署牙将。希朝卒，入为神策将。唐文宗大和末累迁大将军，泾原节度使，徙振武。开成中以击突厥功，进检校户部尚书。武宗时迁检校尚书左仆射，以击回鹘、还太和公主功，加检校司空。拜太子太傅，致仕。

刘沔是许州牙将。早年跟随李光颜为帐中亲将。元和末，李光颜讨伐吴元济，常用刘沔为前锋。蔡州守将董重质守卫洄曲，其部下乘骡战斗，号称"骡子军"，最为强悍，官军经常防备骡子军。刘沔骁勇善骑射，每次与骡军交战，必定冲锋陷阵，俘获敌人并割下其左耳而回，所以忠武军，败敌功劳第一。淮、蔡平定，刘沔随李光颜入朝。李纯留刘沔宿卫，历任三将军。又任过盐州刺史、天德军防御使，在西北边陲屡立战功。

年少时便成为孤儿，客居在振武军，振武军节度使范希朝任命他为牙将。军队中大聚会时，刘沔提着刀站在大堂下面，范希朝认为他是华盛顿奇才队，召他来并对他说：“你今后一定会担任我这官职。”元和九年（814年），范希朝去世，刘沔进京担任神策军将领。

太和末年，刘沔多次升迁至大将军，升任泾原节度使。后河西党项反叛，刘沔率军屡次诛杀其首领，调任振武节度使、检校右散骑常侍、单于大都护。

开成三年（838年），党项族（新唐书作突厥）侵扰河西，抢劫屯田区，刘沔征调吐谷浑、契苾、沙陀三部族总共一万名士兵、三千匹战马，前往银、夏讨伐，大破敌军，俘获数以万计，使他们没有一名骑兵生还。他把缴获的马和羊都发给作战的士兵，在都护府西北修筑四座城堡。因功升任检校户部尚书。

开成五年（840年），李炎继位，升任刘沔为检校尚书左仆射。回纥汗国入侵天德军，朝廷诏命刘沔率兵据守云伽关，回纥于是退兵。

会昌二年（842年），回纥抢劫太原市和振武军，唐武宗派兵部郎中李拭调集军队和粮草，并观察众将有无才能，李拭单单称赞刘沔，于是任命他为河东节度使、检校尚书左仆射、太原尹、北京留守，兼任招抚回纥使，进驻雁门关。回纥进犯云中郡，刘沔进攻他们，杀死回纥七名副将，打败他们的军队。因为夺回太和公主的功劳，升任检校司空。有议论的人认为酬劳不够，升任金紫光禄大夫，并任命他的一个儿子当官。回纥汗国残兵逃跑，朝廷诏命刘沔追赶，并按李靖讨平颉利可汗的规格赏赐他。军队归来，驻扎在代州时，沙州归义军有三千投降的异族人，命他们分别受各道管辖，他们不服从命令，占据滹沱河反叛，刘沔把他们都抓住杀死。

四年，潞州区主帅刘从谏去世，刘从谏之子刘稹隐瞒刘从谏去世的消息，擅自主持军务，要求朝廷授予其旌。李炎怒，命忠武节度使王宰、徐州市节度李彦佐等担任潞府西南面招抚使。朝廷于是又任命刘沔为太原市节度，担任潞府北面招讨使。刘沔驻扎在榆社，刘沔因与张仲武不和，才甘刚刚在幽州征兵，朝廷就调任刘沔郑华节度使（新唐书作调任义成军）   。此时王宰不进兵，宰相李德裕上奏要求刘沔镇守河阳，派两千滑州兵在万善扎营，呆在王宰眼皮下，以促使王宰出兵。刘被讨平后，他升任检校司徒，调任忠武节度使。后因病改任太子少保（旧唐书作太子太保），因不能上朝，改任太子太傅退休。后来去世，享年六十五岁，赠官为司徒。

当初刘沔任忠武小校时，跟随李光颜讨伐淮南西路，任捉生将。刘沔前后遇敌血战，被锋刃所伤，有四次几乎伤重死去。刘沔曾经躺卧在草中，天黑不知回营的路，昏昏睡去，梦见有人给他两只蜡烛，说："你将要大贵，此行没有危险，可以拿着这两只蜡烛回来。"刘沔起来行走，看见有两道很明亮的光在前面。从此以后刘沔每次在战斗中遭遇危险，都能看到这两爱新觉罗·旻宁。后来刘沔离开军镇后，这两道光就没了。五年，李德裕出镇，朝廷罢免刘沔为太子太保。明年，以太子太保致仕，去世。

以战功官左骁卫大将军、东阳郡王。李炎立，迁检校尚书左仆射。

《旧唐书·卷一百六十一·列传第一百一十一》

《新唐书·卷一百七十一·列传第九十六》

父亲：刘廷珍，曾率羽林军保护李适出逃沈阳市，因战功授任左骁卫大将军，封东阳郡王。