早年
他從小聰明好學，不僅學習五經四書，還喜讀兵書，練習劍術。光緒29年（即1903年），甘肅創設武備學堂。他立志報國，考入該學堂學習軍事。因他學業甚優，備受學堂各長官器 重，畢業後由陝甘總督出面，保送他到湖北武師範學堂深造。在湖北武師範 學堂，他接受了新思想的影響，參加了孫中山的興中會，立志獻身民主革命， 推翻清廷的封建統治。
民國時期
辛亥革命中，劉後同先生積極參與組織和領導了甘肅省的秦州反清起義，出任獨立甘肅省政府陸軍部長兼總招討使。後來，他返回山西故里，任山西學生軍總教練、軍士學校校長。北洋政府時期，他出任京畿衛戍總司令部高級參謀、黎元洪大總統的一等侍從武官。直奉戰爭時期，他出任曹錕部 西北路軍中將總指揮。北洋政府垮台後，他改任綏遠省稽查處總辦。
抗日戰爭爆發，天津淪陷，日本人請他擔任熱河省主席，他避而拒之，隱名埋姓，閉門不出，以賣字為生，保持了自己的名節。抗戰初期，他多次上書蔣介石，反對蔣介石的不抵抗政策，提出“攘外便可安內”的主張，建議蔣介石跟日本人打“持久消耗戰”，並在戰略戰術上提出一整套建議。抗戰勝利後，他擔任了傅作義將軍的上將級顧問，卻未到職，仍在家鄉居住，閉門著書立說。劉後同博學多才，不僅通曉文韜武略，而且善書畫，被稱作一代奇才。他一生的論著有《互愛主義》、《草書定法》、《孫子譯證》。蔣介石曾拜讀過他的《孫子譯證》，非常欣賞他的才幹，曾邀他到南京就任國民黨陸海空軍總司令部參議。他婉轉謝絕，未去就職。
1949年幫助傅作義促成北平和平解放，被譽為“和平老人”。
解放後
全國解放後，他被選舉為天津市人大代表、政協常委。天津市政府又任命他為房管局局長，直到1961年才病逝，享年79 歲。
