元世祖中統三年(1262),年僅13歲的劉垓受命管理移居成都的民匠。
元世祖至元三年(1266),隨劉整入朝,授管軍萬戶,佩金虎符。
至元四年(1267),駐紮眉州(今四川眉山)、簡州(今四川簡陽)。從圍嘉定府(今四川樂山),攻破五獲石城,白馬,資江等城寨。
至元六年(1269),從敗宋軍於龍填。至元九年(1272),入值東宮宿衛。至元十年(1273),從戰樊城。四月,御史言劉垓與阿里海涯的兒子忽失海牙素不知兵,帝命以萬戶還成都。
至元十一年(1274)六月,敗宋師於嘉定城外,收撫嘉定等路,拓地一千五百餘里,以降將及蠻酋入覲,進拜都元帥。宋亡,蜀地未盡平,樞密院奏瀘州是劉整舊日管轄的地方,請使劉垓以都元帥領之。
至元十四年(1277),攻克瀘州之珍珠堡,降其守將。至正十六年(1279),入朝,拜同知四川北道宣慰司事。至正二十年(1283),移四川南道。至正二十一年(1284),邱德、祖迷等策劃作亂,劉垓擒斬之。
至正二十三年(1286),入朝,詔問宋降將,劉垓即奏:“先臣在襄陽,以呂文煥來歸,今為右丞;在滬州,以管如德來歸,今為左丞。臣在西川,以昝萬壽來歸,今亦為右丞。”帝即擢劉垓為左丞,為參知政事吐魯華所格而止。劉垓又奏:“江南平,臣不敢自言先臣功,惟上念之。”帝曰:“朕未嘗忘爾父也。”授劉垓鎮國上將軍、陝西四川等處行省參知政事。旋改四川等處行省僉事,又改行尚書省事。
至正二十九年(1292),拜輔國上將軍、四川行省參知政事。未幾,謝病歸。
元成宗大德八年(1304),起為奉國上將軍、四川行省參知政事、八番順元等處宣慰使都元帥,佩金虎符。蠻酋南列等納款,賜弓矢、衣甲。
元武宗至大三年(1310),移鎮廣東,奏言:“軍士不習水土,宜移中原,屯戍於內地。”從之。
元仁宗皇慶二年(1313)卒,年六十四。垓廉於財,卒之日,僅存中統鈔四百貫雲。