一八九七年，刘敦桢生在湖南新宁，字士能。一九一三年，他考取官费，东渡日本，进东京高等工业学校学习建筑，一九二一年回国，在上海、苏州、长沙等地做设计、教建筑。一九三〇年，他加入朱启钤创办的中国营造学社，任文献组主任，与任法式组主任、刚从美国回来的梁思成分掌两路：一个从文献、抄本和匠作记录入手考证，一个从测绘、实物和图像入手研究，两条路互相印证。
一九三二年，他赴河北蓟县调查独乐寺，把碑文、方志和建筑形制互相参证，考定观音阁与山门建于辽统和二年，是当时已知国内最古老的木构建筑之一，考察报告发表在《中国营造学社汇刊》上。同年，他又赴宝坻调查广济寺三大士殿；一九三三年，他与梁思成、莫宗江等人考察应州佛宫寺释迦塔，以斗栱形制和梁上题记确认，这座六十多米高的辽塔是国内现存最古老、最高大的木构塔。需要说明的是，这些年代判定都是学社同人共同踏查、测绘、对勘文献的集体成果，并非哪一个人独自的发现。
抗战岁月，学社辗转西南，他在云南、四川一带调查民居、会馆、崖墓、古塔和汉阙，行程遍及数十县，把目光投向过去士大夫不屑记录的普通住宅。他又对南京附近的六朝陵墓石刻做过系统的踏勘记录，一篇篇考订文字与拓片、图版一起留在汇刊里。胜利后，他在中央大学和后来的南京工学院主持建筑系，建立起中国最早的建筑史教学与研究体系，把田野调查当作学生的必修课。
一九五五年中国科学院选聘学部委员，他被聘入技术科学部。第二年，他完成《中国住宅概说》，这是第一部系统研究中国民居的专著，从北方的四合院到南方的吊脚楼，按地域梳理住宅类型，把老百姓的房子郑重写进了建筑史。晚年，他又主持撰写《苏州古典园林》，从一九六〇年起带着师生对拙政园、留园等名园做精密测绘，系统总结布局、叠山、理水、花木的手法，书稿在他身后于一九七九年整理出版，后来获得国家优秀建筑科技图书一等奖，成为园林研究绕不开的经典。他还主持编写了《中国古代建筑史》，书稿历经多年打磨，同样在身后问世。他治学最重文献与实物互证，反对只翻书本、不跑现场。一九六八年，他在南京去世，享年七十一岁。
库里另有一篇写梁思成，这里要把两人分清：梁思成长于木构法式与图像测绘，刘敦桢长于文献考证与民居园林。他们是中国建筑史研究并行的两条腿，少了哪一条，这条路都走不完整。
❝研究建筑，须文献与实物相证，足不出户者不足与言史也。（大意）❞