1897年9月19日出生于新宁县一个清代官宦家庭。1908年就读于长沙楚怡学校，由于受参加同盟会的兄长影响，从小立志报效祖国，走“科学救国”的道路，1913年东渡日本留学。先后入东京高等工业学校机械科和建筑科读书。1922年学成归国，在上海等地从事建筑和建筑教育工作，为国内培养了首批建筑人才。1927年参与筹组中央大学建筑系，后加入中国营造学社，致力于古建筑文献的发掘和考订。1943年以后，任重庆中央大学建筑系教授、系主任、工学院院长。20世纪30年代，中国建筑界就有“南刘北梁”之说，南刘指的就是刘敦桢，北梁指的是梁思成。
中华人民共和国成立后，刘敦桢任南京大学、南京工学院建筑系教授、系主任、中国建筑历史与理论研究室主任。除教学工作及培养中青年教师以外，在开展对我国传统民居与古典园林的大规模研究，以及参加并主持对我国建筑历史的全面总结与撰写等方面，做了许多卓有成效和决定性的工作。曾当选南京市、江苏省人民代表大会代表和第三届全国人民代表大会代表。1955年任一级教授和中国科学院技术科学部委员。1956年加入中国共产党。1968年逝世于南京。
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