1930年3、4月間，孝感東北部的革命運動迅猛發展，劉震在這個時候參加了赤衛軍。在鬥爭中，劉震逐漸認識到***產黨領導的紅軍是真正為窮人打天下的隊伍。
1931年9月加入紅軍，被分配到陂孝縣紅軍遊擊大隊當戰士。
1932年加入中國***產黨。
1932年春，劉震被調到鄂東北道委特務4大隊1分隊1班當戰士。
1932年8月，在河南光山柳林河光榮地加入中國***產黨。
1933年6月，中***鄂東北道委特務4大隊改編為紅25軍手槍團，劉震在1分隊1班當戰士。
1934年5月，擔任224團1營1連指導員。
1934年11月，紅25軍以“中國工農紅軍北上抗日第二先遣隊”的名義，開始了長征。劉震從224團調到225團，任1營1連指導員。在長征途中，認真執行上級命令，率領部隊完成了上級賦予的戰鬥任務。因在戰鬥中指揮有方，被任命為1營政委。
1935年9月，紅25軍抵達陜甘革命根據地，勝利完成了長征。整編後，任紅15軍團第75師225團政治委員，帶領部隊先後參加了陜北勞山、榆林橋戰役。
1935年11月初，紅15軍團和紅軍陜甘支隊（即紅壹軍團）合編為中國工農紅軍第壹方面軍，次年2月，由紅壹方面軍組成的“中國人民紅軍抗日先鋒軍”，東渡黃河，進行了東征戰役。這時，劉震調到強渡黃河的突擊團223團，任團政治委員。
1936年2月24日晚，東征渡河戰鬥打響了，223團以突擊隊為先導，他率1營為第壹梯隊，利用夜色掩護，從無定河出發，在山西石樓縣賀家凹西北登岸。經激烈交火，先頭部隊占領了灘頭陣地，次日拂曉，全團渡過黃河，爾後劉震率第223團轉戰晉西北。
1936年4月，223團擴編為73師，劉震任該師政治委員。東征戰役結束後，奉命到紅軍大學第壹期學習。1936年12月西安事變發生後，重返紅15軍團，擔任75師政委。 抗日戰爭爆發後，75師被改編為國民革命軍第八路軍第115師第344旅688團，劉震任政治委員。 1937年12月，率部隨344旅開赴冀西平（山）、井（陘）獲（鹿）三角地區，伺機打擊正太、平漢路之日軍。次年3月，又奉命開赴晉東南，參加粉碎日軍“九路圍攻”的作戰。
1938年6、7月間，為了配合國民黨軍隊粉碎日軍對中條山的進攻，奉命率領688團3營600多人開進中條山。除配合國民黨軍隊的作戰行動外，劉震還支持發展當地群眾性的遊擊鬥爭，並積極擴充部隊，僅半年時間，就發展到近千人。
1938年11月，第344旅組建獨立團，劉震任團長，奉命到冀魯豫邊區開展鬥爭。
1939年2月，邊區部隊統壹組成冀魯豫支隊，獨立團改為該支隊第1大隊，任大隊長。在支隊和中***魯西南地委的領導下，指揮第壹大隊為保衛魯西南根據地作出了積極的貢獻。
1940年初，劉震被任命為新組建的八路軍第2縱隊第344旅旅長。
1940年5月，率部參加了討伐頑軍石友三的戰役。
1940年6月，奉命南下的第2縱隊在渦陽與新四軍第6支隊合編為八路軍第4縱隊，第344旅編為第4縱隊第4旅。合編後，率領第四旅擔任開辟和堅持淮上根據地的任務。
1941年1月“皖南事變”後，第四旅奉命改編為新四軍第四師第10旅。
1941年5月，率10旅奉命進到津浦路東，在洪澤湖以北和以東地區，開展邊沿區鬥爭。
1941年9月，第10旅奉命撥歸新四軍第3師建制，調往蘇北淮海地區，實行主力地方化，劉震任第10旅旅長並兼任淮海軍分區司令員。
1944年春，蘇北新四軍部隊開始對日軍反攻，劉震指揮部隊先後進行了高溝戰役、楊口戰役、林公渡戰鬥和葉圩子戰鬥。還參加了阜寧戰役，給蘇北的日偽軍以沈重的打擊，擴大了抗日根據地。
1945年1月，中***華中局決定由劉震兼任淮海地委書記。
1945年8月，日本政府宣布無條件投降，可盤踞在淮陰、淮安兩城的偽軍拒絕向抗日軍民繳槍。 1945年9月6日，指揮部隊采取重點爆破與猛烈火力相結合的打法，迅速攻入淮陰城，擊斃偽軍28師師長，全殲該師9000余人，取得了部隊從長期遊擊戰轉向對預有防禦城市的攻堅戰的重要經驗。隨後，又率部參加了解放淮安城的戰鬥。
1945年9月下旬，新四軍第3師奉命進軍東北，劉震被任命為副師長。
1945年11月底，3師在錦西編入東北人民自治軍（後改稱為東北民主聯軍）。
1945年12月下旬，奉命在義縣地區指揮5個團阻擊國民黨部隊，掩護東北人民自治軍總部在遼西前線安全轉移。
1946年1月，率8旅主力及師特務1團，攻克吉林通遼，全殲國民黨守軍1400余人。
1946年3月，劉震被任命為中***吉江省委書記，並兼吉江軍區司令員。同年6月，奉命和吳法憲組建東北民主聯軍第2縱隊，任司令員。
1947年春，率領第2縱隊參加了三下江南戰役，在打靠山屯及新立屯等戰鬥中，殲國民黨軍3200多人，使第2縱隊在戰鬥中提高了打運動戰、攻堅戰的能力。
1947年5月，率第2縱隊參加了東北民主聯軍發起的夏季攻勢。5月16日，指揮部隊經長途奔襲，對懷德發起總攻，經過激戰，於17日攻克懷德，全殲守敵5000余人。緊接著，率第2縱隊主力迅速迂回，進行大黑林子殲滅戰。
1947年6月，第二縱隊攻克昌圖。
1947年9月，指揮部隊參加秋季攻勢。在12月開始的冬季攻勢作戰中，率部經5個小時激戰，攻克彰武，全殲國民黨守軍49軍79師9000余人。中***中央為此專門致電嘉勉。
1948年10月3日奉命參加攻克錦州的戰鬥。
1948年10月14日10時，在攻占了錦州城西北的外圍據點後，發起了對錦州的總攻。他指揮部隊從西北門突破，經過縱深戰鬥，15日18時攻錦戰鬥勝利結束。第2縱隊在該戰中殲國民黨軍1.5萬余人。幾天後，率部趕赴遼西，協同兄弟部隊全殲廖耀湘兵團。
1948年11月1日，指揮2縱隊和第1縱隊，擔負了主攻沈陽的重任。戰至次日拂曉，全殲沈陽守敵，在攻沈陽戰鬥中，第2縱隊***殲國民黨軍3.1萬余人，俘獲國民黨軍兵團司令周福成等將官18人。
遼沈戰役後，第2縱奉命改為中國人民解放軍第39軍，劉震任軍長，隨即率部入關，參加平津戰役。在解放天津的戰鬥中，39軍完成了從城東突破的任務，殲國民黨軍2萬余人。
1949年4月，劉震被任命為新組建的14兵團副司令員兼39軍軍長，繼續指揮部隊向華中南挺進。
1949年8月1日，改任13兵團副司令員兼39軍軍長。
1949年9至10月，率部參加了衡寶戰役，殲國民黨軍1.2萬余人。之後，又指揮部隊參加了廣西戰役，殲滅白崇禧集團殘部3.2萬余人，並與兄弟部隊協同作戰，解放了廣西全境。 1950年10月，劉震被任命為中南軍區空軍司令員。
1950年11月調任東北軍區空軍司令兼誌願軍空軍司令。
1951年9月25日、26日、27日，劉震將軍指揮空四師，大戰美空軍，三天擊落美機26架，擊傷8架，首創擊落美最先進F-86飛機戰績。
1951年12月2日、5日、8日，劉震將軍指揮空三師再戰美空軍，***擊落敵F-86飛機9架，F-84飛機4架，擊傷F-86飛機2架。此次空戰規模空前，戰果輝煌。”
1954年3月，劉震任中國人民解放軍空軍副司令員兼東北軍區空軍司令員。
1954年10月入軍事學院戰役系學習，1958年9月兼任空軍學院院長、政治委員。
1973年任沈陽軍區副司令員。
1977年起任新疆軍區司令員、中央軍委委員、新疆維吾爾自治區第3書記（後為第2書記）。
1980年至1985年任軍事科學院副院長。他還在中***“八大”二次會議上，補選為中央候補委員，在中***十壹次和十二次代表大會上當選為中央委員。
在1985年中***全國代表大會上，被增選為中央顧問委員會委員，中***十三大時，繼續當選。
劉震1955年被授予上將軍銜，榮獲壹級八壹勛章、壹級獨立自由勛章、壹級解放勛章。
1988年7月被授予壹級紅星功勛榮譽章。 著有《劉震回憶錄》。
1987年在中***第十三次全國代表大會上當選為中央顧問委員會委員。
1992年8月20日在北京逝世，享年78歲。