劉敦桢，字士能，號大壯室主人。１８９７年９月１９日出生於湖南省新寧縣一個清代官宦家庭。４歲起接受詩書啟蒙教育，使他從小就對中國文史產生了濃厚興趣，並在這方面打下了堅深基礎。１９０８年，離家赴長沙，就讀於楚怡學校。由於深受參加同盟會的兄長影響，從小即矢志報效祖國，振興中華。但他未追隨長兄的常年奔走革命，也未效法次兄的投筆從戎，而是選擇了“科學救國”的道路。１９１３年，考取官費，東渡日本留學。１９１６年，錄入東京高等工業學校（今東京工業大學）機械科（即系），以志趣不合，次年轉建築科。日本原是落後的封建島國，自“明治維新”後，變化極大，這對留日的中國學生，產生了很深的印象。日本國勢的迅速發展，其原因之一，是和日本民族自身的奮發圖強和艱苦奮斗分不開的。因此，劉敦桢就更加嚴格地要求自己，除了刻苦學習，還積極地全面鍛煉身體。在校期間，他既是學業突出的優等生，又是游泳、足球和田徑運動中的健將。此外，日本政府和國民對本國古建築文化的十分重視和著意保護，也給予他許多啟示和反思。使他進一步認識到國內在這方面努力的不足，並更加堅定了日後從事研究中國古建築的志願和決心。
　　１９２２年，學成歸國，在上海絹絲紡織公司任建築師。同年，又與留日同窗柳士英等，肇建了我國第一所由中國人經營的華海建築師事務所。次年，與柳士英、黃祖淼、朱士圭等創設了蘇州工業專門學校建築科，並擔任教學工作。這是我國第一個正規的中等建築工程技術專業學校，為國內培養了首批建築人才。１９２５年，他回到長沙，執教於湖南大學土木系。第二年，再返蘇州，仍在蘇州工業專門學校授課並兼任建築師。１９２７年，在南京的第四中山大學（後改名中央大學）工學院籌設建築系，蘇州工業專門學校建築科奉命並入。劉敦桢率該科全體學生及少數教師前往南京，積極參加了我國第一個高等建築教育專業的籌建及教學工作。
　　他的業余時間，除了在周末參加或觀看酷愛的足球運動以外，大都投入到查閱有關古建築的文史資料，以及參觀調查寧、滬、杭一帶的古建遺址。１９３０年，他加入了設在北平的中國營造學社，這是我國最早專門研究中國古代建築的學術機構。從此以後，他的生活經歷和工作方向，都產生了極大的變化。兩年後的秋天，他舉家由南京遷往北平，就任營造學社專職研究員及文獻部主任，全力投入久已向往的研究工作。當時他主要致力於古建築文獻的發掘和考訂，以及對華北廣大地區古代建築遺物的調查與測繪。抗日戰爭爆發，他和學社部分成員先後轉移到雲南昆明和四川南溪縣李莊，繼續開展了對西南地區古建築的調查與研究。１９４３年秋，他再受聘於中央大學，來到重慶沙坪壩，任建築系教授。次年，又膺系主任。１９４５年，兼工學院院長。抗日戰爭勝利後，隨學校返回南京，繼續在中央大學執教，直到１９４９年中華人民共和國成立。
　　此時中央大學易名南京大學，至１９５２年全國高等學校院系調整，南京大學工學院單獨成立南京工學院。劉敦桢仍在建築系任教授，後又兼系主任及中國建築歷史與理論研究室主任。除教學工作及培養中、青年教師以外，在開展對我國傳統民居與古典園林的開拓性與大規模研究，以及參加並主持對我國建築歷史的全面總結與撰寫等方面，都作出了許多卓有成效和決定性的工作。
　　１９５１—１９５３年間，他都被選為南京市人民代表大會代表。１９５４年起，選為江蘇省人民代表大會代表。１９６４年，又被選為第三屆全國人民代表大會代表。１９５５年，被任命為一級教授和中國科學院技術科學部委員。１９５６年，參加了中國共產黨。此外，他還任全國和省、市中國建築學會的理事、理事長等職。１９５７—１９５９年間，曾代表我國建築界和文化界，先後訪問了波蘭、蘇聯和印度，為促進各國人民之間的文化交流，作出了許多努力。
　　在“文化大革命”期間，他被誣蔑為“封建與資產階級反動學術權威”受到無端迫害和嚴厲批判，身心遭到嚴重創傷，從而一病不起，終年７１歲。１９７９年冬，為他召開了隆重的追悼會，進行了平反，並將骨灰安葬在南京雨花台望江矶公墓。