刘伸，字济时，宛平人。少时聪慧过人，成年之后以文章著称。重熙五年(1036)，中进士，历任彰武军节度使掌书记、大理正。因为陈奏案件，兴宗皇上正好与近臣谈话，没有理睬，刘伸进言说：“我听说自古以来帝王必定都看重百姓的生命，希望陛下省览我的奏折。”皇上惊奇无比，将他提升为枢密都承旨，权中京副留守。
诏令迁徙富裕民户以充实春、泰二州，刘伸认为这样不好，上奏，皇上便取消了成命。迁大理少卿，人们都因此不再受冤。升任大理卿，改任西京副留守。因遭逢父丧，服孝满三年，任三司副使，加谏议大夫，提点大理寺。因为刘伸通晓法令且生性仁恕，审理案件过程中让许多人都得以保全性命。迁任南京副留守。不久改任崇义军节度使，为政追求简明不繁苛，百姓因此不受烦劳，以致出现了乌鸦和喜鹊同巢和平共处的异象，皇上特地下诏褒奖他。改任户部使，每年以盈余赋税的名义向朝廷进献余钱三十万缗，拜为南院枢密副使。
道宗曾经对大臣们说“：今世忠诚正直的大臣，只有耶律..、刘伸两人而已！”宰相杨绩祝贺皇上得人，拜刘伸为参知政事。皇上晓谕他说“：你不要怕宰相！”当时北院枢密使乙辛气焰势力正盛，刘伸奏道“：我对乙辛尚且不惧，又怕什么宰相！”乙辛忌恨于他，加以排斥和诋毁，出贬刘伸为保静军节度使。皇上到底还是想重用他，加为守太子太保，迁上京留守。乙辛假托事由将他移镇雄武军。又在崇义军节度使任上辞官。
适逢燕、蓟一带百姓饥荒，刘伸与辞官归家的赵徽、韩造每天以稀粥赈济他们，因此而活下来的人不可胜计。大安二年(1086)去世，皇上震惊哀伤，加倍地赠予助丧钱物。