少年時期
劉國柱自幼熱愛勞動。父親早年出走後,在母親節衣縮食的培養下,他自9歲起先後於本村、閆各莊、院東村國小讀書。國小畢業後,又去青山高小讀了半年書,終因家境不支退學。15歲時,劉國柱為生活所迫渡海去大連做徒工,期間受到米店和菜店老闆們的剝削,飽償無產者之苦。
1929年,劉國柱患病回鄉,病癒後一面勞動一面自修。1932年夏末,山東省立第七鄉村師範學校在1300名考生中招收80名學員,劉國柱考入該校一期一班。1933年春,經中共黨員叢培陣介紹,劉國柱加入了黨的外圍組織“反帝大同盟”,入盟後,於1934年夏參與領導了反對國民黨校長CC分子王培祚的罷課鬥爭,利用學校放假的機會,在家鄉傳播抗日救國的思想和階級鬥爭的理論,並有選擇地發展了十幾名骨幹,組織“窮人會”,開展了抗捐鬥爭。
抗日戰爭時期
1937年“七七”事變後,全面抗戰開始,劉國柱滿懷抗日激情和同事喬生、孫玉德商議,決心發動武裝,並發表了榮成六區抗日救國會宣言。10月,日軍進攻山東。國民黨文登縣長倉惶逃跑,人心大亂,劉國柱等三人趁機鼓動學生拉武裝。11月下旬,他們組織學生收繳地主豪紳的少量武器,12月,襲擊並解決了國民黨榮成第二保全大隊,經半天戰鬥,繳獲長短槍近百支(後經中間代表調解,將武器發還),隨即帶領二十幾名骨幹分子參加革命的武裝鬥爭。在此期間,他們清除了國民黨特務閆書左,處決了國民黨軍派來拉隊伍的說客劉貫一。由於隊伍內部實行了“有飯同吃,有鞋同穿,隊長與隊員同樣站崗放哨”等措施,上下一致,團結統一。經熟人介紹,劉國柱認識了中共膠東特委代表丁光,後他們被編為山東人民抗日救國軍第三軍游擊隊,劉國柱任隊長。不久,他經丁光介紹加入了中國共產黨。1938年1月,山東人民抗日救國軍第三軍游擊隊擴編為第三軍第八大隊,劉國柱任大隊長。部隊在戰鬥中發展很快,不到半年,已達千人。後曾任八路軍山東縱隊第五支隊營長。1938年4月,劉國柱任八路軍山東縱隊五支隊第61團參謀長。該團挺進魯中地區,在膠東、津浦、隴海路之間與日、偽、頑軍頻繁作戰,參加了沂蒙山區反“鐵壁合圍”,成為軍區主力部隊之一。1939年後任山東縱隊第七支隊參謀長,1940年9月,劉國柱改任山東縱隊第二旅參謀主任。翌年8月,他調任第四旅參謀處長。
解放戰爭時期
1945年8月,日軍宣布投降後,劉國柱任魯中軍區泰山分區參謀長,副司令員。10月,他升任分區司令員。期間,他率部隊參加了萊蕪、孟良崮戰役。1948年8月,部隊升為主力,劉國柱改任魯中南縱隊第46師師長,率師參加了濟南戰役。1949年1月,他升任第三野戰軍35軍參謀長。同年9月,劉國柱改任魯中南軍區參謀長。
新中國成立後
中華人民共和國成立後,1950年後劉國柱任華東軍區公安部隊副參謀長。1950年底,他任華東軍區司令部辦公廳副主任。1953年1月,劉國柱調上海空軍工作,任空軍第四軍參謀長。當時正值空軍增設軍級機構之初,又逢上海城市防空步入逐兵種合成作戰之時。他深入調查研究,靈活運用陸軍機關的經驗,認真總結空軍軍級指揮機關在現代要地防空作戰中如何立足於部隊戰鬥力這一中心,狠抓機關的全面建設,為協同配合全地面防空部隊發揮立體防空的整體能力,共同將入侵敵機殲滅在保衛目標之外的具體戰術,做出了重要貢獻。1953年4月23日,美國海軍駐日本沖繩一架P—2V型偵察巡邏機在我國蘇北沿海向上海方向南下,多時挑釁性地對我神聖領空進行侵犯。劉國柱親臨指揮現場,果斷命令我空軍戰機迅速準確地將其擊落在上海以北領海內,確保了上海領空的安全,受到了上級的嘉獎。1958年7月,劉國柱於解放軍軍事學院空軍系高級速成班畢業後,調任空軍學院戰術系主任。1963年8月,他調任空軍第三軍副軍長。1969年3月,劉國柱升任瀋陽軍區空軍副司令員。1978年改任顧問。1981年9月,劉國柱離職休養。1985年5月17日,劉國柱病逝於瀋陽,終年73歲。
劉國柱1957年6月曾榮獲共和國二級獨立自由勳章和一級解放勳章。1955年9月,劉國柱被授予空軍大校軍銜。1961年8月,晉升為少將軍銜。