劉統勛出身官僚家庭，父親白柳是康熙二十四年(1685)進士，曾在四川擔任大臣。受父親忠君愛民思想的影響，劉統勛從小好學，誌向遠大。雍正二年(1724)，進士，任國子監庶吉士。三年後，授編審，直入(君主時代，人臣入帝，或其家屬遇長官入衙門辦事，稱直入)。他去了書房(清朝王子讀書的地方，他在故宮離開了。6歲，太子入上書房讀書，老師由皇帝任命，稱為讀書大師)，後移至展室(展室掌管東宮內外總務，清朝時移在總政使大歷卿之下，是翰林官員移令)。
乾隆元年(1736)，劉統勛升為內閣學士，任禮部侍郎。八月，他被任命為刑部右侍郎。次年，他被授予左刑部侍郎。乾隆六年(1741)，九月，升任左都禦史、國史館(官方編纂國史的部門)。還升任工部尚書(從二年級起)兼翰林院學士，刑部尚書。乾隆十七年(1752)，劉統勛入兵部(兵部:清朝雍正年間，征戰西北。因為櫃子在太和門外，他怕機密泄露。1729年，他在宗龍門設置了壹個軍需室，他選擇了內閣秘，因為離內廷很近，方便召喚。1732年改名為軍部，由壹位王子和壹位重要大臣為其長官，名為軍部之行，而地位卑微的則名為雪星，俗稱小軍機。軍機的首長叫工頭，掌管壹切。除了辦理軍部的維護之外，大學士、六部、九卿、督撫、將軍、知府、督軍、差生、主考、駐外使節等所有的專署大官，都由軍務尚書負責開單，成為皇帝的重臣，深得乾隆皇帝的尊重。乾隆十九年(1754)，劉統勛加太子太傅(壹品)督陜甘，奉命巡哈密屯兵。二十年(1755)恰逢叛軍造反，劉統勛請求放棄巴裏州，退守哈密。皇帝大怒，罷免了劉，並以犯罪的罪名逮捕了北京。入獄後不久，他很快就被無罪釋放，並監督軍需供應。後來又被授予刑部尚書，以官的身份設宴。還加了太子太保(第壹品)，吏部尚書調到紫禁城騎馬。乾隆二十四年(1759)，授予協辦單位；二十六年(1761)，東閣學士，上學大師，國史館館長，《四庫全書》社長。
作為壹個能幹的國家大臣，劉統勛以直言不諱的建議而聞名。他性情剛毅。“他早就是個機要人物，壹百多年來壹直是名臣。”他經常寫信說實話，批評當前的弊端，“直擊朝野”。乾隆二年(1737)，劉統勛被任命為刑部左侍郎時，發現很多地方督撫上任時，往往將重要任務托付給自己的親信，嚴重影響了正常的公務秩序。他把這種弊端放在皇帝身上，督促改掉，馬上就要實施了。乾隆六年(1741)，劉統勛升任左都後不久，上書乾隆皇帝，建議鎮壓張和內勤。張是清代元老，吏部尚書，保和殿大學士，軍機大臣。他嫁給了當時的姚家幾代人，利用手中的權力安插了30多名與自己家和公婆關系密切的人，在官場上舉足輕重，影響極壞。內勤是滿清權貴，雍正朝軍部尚書，依仗實力。劉統勛寫道:張和那琴太厲害了，應該克制壹點。這不僅是為了國家，也是為了保存他們和他們的家庭。乾隆皇帝看完後，頒布了壹道詔書，把劉統勛的獨奏會贈送給所有大臣，以警醒張、他的前妻以及他們的權貴們。劉統勛不拍馬屁，深得乾隆皇帝信任。
作為皇帝的腿腳大臣，劉統勛每年都奉命私訪，體察民情，考察政治得失。他告訴那些貪官要付出代價。雲南巡撫郭力勸巡撫恒文以尚宮的名義低價購買黃金，中飽私囊。劉統勛秘密探訪後，查明了真相，報告給了皇帝。皇帝依法懲處了恒文和郭:讓恒文自殺，把郭遣送回臺。還有壹次，劉統勛奉命視察楊橋水利工程。壹個多月過去了，工程還沒開工，因為石頭還沒到。劉統勛通過隱姓埋名采訪發現，當地縣令強迫送石頭的人交錢，他們才會接受材料。百姓窮到沒錢行賄，被迫留在城外。查明事實後，劉統勛大怒，下令將當地縣令斬首，並以杖責巡撫。劉統勛懲治貪官，震懾了各類貪官，對清廷的吏治產生了巨大影響。
劉統勛也是壹位優秀的水利專家，他為黃河和運河的整治做出了巨大的貢獻。黃河自古以來就是大洪水，經常決口。所以清廷也和歷代壹樣，把治理黃河作為重中之重之壹；運河是當時南北交通的大動脈，是清政府從江南向朝廷運糧的唯壹水路。劉統勛早年曾赴浙江學習海堤工程，掌握了豐富的水利知識。所以他在任期間，幾乎每次黃河和運河出現險情，他都首當其沖，親自指揮管理。乾隆十三年(1748)，運河上漲，劉統勛因地制宜地改德州燒馬營壩為降壩，並在益州府沂河西岸增加江峰口壩，保護蘭山和郯城的田地和房屋。疏通了運河聊城段和東本段，解決了運河決口問題。乾隆二十七年(1762)，指揮疏浚高寶河湖入江。他長期在黃河和運河的工地上忙碌，評估地形和水勢，下大力氣治理河道，減少河道的危害，保護人民生命財產，促進地方經濟發展。
作為曾經的高官，劉統勛壹直以清廉著稱。他不僅生活節儉，而且拒絕在各種場合接受賄賂。他既不失禮，也不粗魯，有聖賢遺風。“我家有幾十畝地，我住壹個區。我為官五十年，不增大小。”整個國家和鎮上的村民都稱贊他是壹個“真正的清官”有壹次，他壹個老朋友的兒子當了湖北省的省長。為了尋求劉統勛的關照，專門派人上門送黃金二百塊。劉統勛很明白來訪者的意思，但他再三考慮老朋友的感受。最後，他叫來訪者見了面，嚴肅地說:“妳的主以友誼待妳，他的名字是當之無愧的。但是，我缺少政府，所以我不需要。妳可以向妳的主報告，把它分給老弱。”讓他帶著錢回來。還有壹次，有人深夜帶著禮物來拜訪。劉統勛聽完師傅的介紹，拒絕做客。第二天，劉統勛來到衙門，召見昨夜的來訪者，嚴厲地對他說:“昏夜敲門，聖人不為。有什麽建議可以提前說。雖然我有錯，但我也可以勸妳。”那人聽了，覺得慚愧。
乾隆三十八年(1773)，劉統勛年老體弱，仍堅持上朝。他乘車到東華門時，突然發病，匆匆回屋，猝死。皇帝聽說後，派了壹名醫生去救他。那時，那個人已經死了。皇帝難過極了，親自祭酒。回去的時候哭到口幹舌燥，對隨行的大臣說:“我少了壹條胳膊！”金贈太傅壹方牌位，供奉於仙祠，祭葬。謚號為“正氣”。劉統勛的靈柩葬在家鄉諸城，皇帝下詔，沿途二十裏之內的文武百官，都瞻仰靈柩。這在當時是極其光榮的特權，可見清朝對劉統勛的高度重視。紀昀挽臂曰:“戴色闊山小，天蒼蒼星辰重。”
劉統勛有壹本文的詩集。有二子壹女，長子柳永，體仁閣大學士，人稱“濃墨宰相”。二兒子劉戡死得早。