劉歆在經學史上的第一個貢獻是發現了一批晚出先秦經書，使之免於佚失，由於劉歆的倡導宣揚，使這批古文經書為社會和士人廣泛得知，遂轉相傳習不輟。
劉歆在經學史上的第二個貢獻是開辟了以文字和曆史解經的新方法，為了發揚古文經，劉歆等人重視訓詁，不僅憑此以讀經，且據古文的字型筆意以解經。
劉歆在經學史上的第三個貢獻是打破了今文經學對儒學的壟斷，開啟了古文經學的發展道路。如果說是董仲舒開創了以微言大義說經的今文經學的話，那麽重視名物製度的古文經學就是劉歆開其山門了。
劉歆對“五經”古文經典的整理作出了很大的貢獻，他所特別愛好且最有研究的是《左傳》。漢哀帝即位時，劉歆建議將《左氏春秋》及《毛詩》《儀禮》《古文尚書》皆列於學官。哀帝下詔征詢臣下對立《左傳》博士的意見，同時讓劉歆去跟今文經博士們討論經義。
劉向、劉歆父子經過二十多年的努力，圓滿地完成了華夏曆史上第一次由政府組織的大規模圖書整理編目工作，在這次校理群書的工作中，劉歆創造出一整套科學的方法。為了對書籍的篇章文字等進行校正和勘定，他們首先兼備眾本，廣搜異本；然後選定篇目，去除重複；再後糾理錯簡，校讎文字；最後勘定書名，謄清新本，總共整理出圖書三萬三千零九十卷，收藏於天祿閣、石渠閣，建立了第一個國家圖書館，並為先秦古籍的流傳，為圖書由官府收藏走向民間普及做出了重大貢獻。他們係統的古籍整理方法，使校勘、辨偽、考據等學問開始產生。
劉歆在其父劉向編纂《別錄》的基礎上進一步加工，編成了一部綜合性的圖書分類目錄《七略》，為華夏第一部圖書分類目錄，是具有學術史價值的著作。《七略》計七卷，其《輯略》為全書的敘錄，其餘六卷，有《六藝略》《諸子略》《詩賦略》《兵書略》《術數略》《方技略》，將著錄的圖書分為六個大類，三十八種，六百零三家，一萬三千二百一十九卷。《七略》“辨章學術，考鏡源流”，對每種每類都加小序，說明其學術源流、類別含義等，不僅對當時的學術發展有很大的推動作用，對後世的目錄學更有著深遠的影響，成為華夏目錄書的典範。著《移書太常博士》是經學史上重要文獻，製作量器“律嘉量”，即圓柱形的標準量器。根據量器的銘文計算，所用圓周率是3.1547，世稱“劉歆率”。
劉向、劉歆父子領導的校理群書的工作，創造出一整套科學的方法。為了對書籍的篇章文字等進行校讎和勘定，他們首先兼備眾本，廣搜異本；然後選定篇目，去除重複；再後糾理錯簡，校讎文字；最後勘定書名，謄清新本。總共整理出圖書三萬三千零九十卷，劉氏父子典籍整理的一個重要工作是編製目錄，首先是在每一本書校勘謄清後，由劉向父子集其篇目，敘其旨意，寫成敘錄，也就是後代的提要。然後，又將各書的敘錄集合一起，按部類抄成一書，稱為《別錄》。這主要是劉向完成的。最後是劉歆在《別錄》的基礎上進一步加工，編成了一部綜合性的圖書分類目錄《七略》。
劉歆本來從其父學習《詩》《書》《易》和《穀梁傳》，在經學上很有造詣。在勘校中秘藏書的過程中，他發現了用先秦古文抄寫的《春秋左氏傳》，特別喜愛。於是，他一邊向研治《左傳》有師承的尹成和翟方進學習，請教書中的許多問題及其義理，同時，和父親劉向一起討論、辨析《左傳》的內容。還以《左傳》“教授子孫，下至婦女，無不讀誦。”將《左傳》與當時已立於學官的《公羊傳》《穀梁傳》比較，他認為“左丘明好惡與聖人同，親見夫子，而公羊、穀梁在七十子後，傳聞之與親見之，其詳略不同。”《左傳》的價值，在《公羊》《穀梁》之上。
今文經學：劉歆作為西漢末期的著名學者，他曾對西漢中葉以來盛極一時的今文經學進行過尖銳批評。他認為今文經學分文析字，煩言碎辭，學者罷老且不能究其一藝，根本無法達到用日少而畜德多，以對人民進行道德教化的目的，因此他要求存其大體、玩經文而已，盡快結束那種 一經說至百餘萬言的煩瑣的章句學風。除此之外，劉歆還對今文經學的以家法傳授的弊端進行了指責，認為他們信口說而背傳記，是末師而非往古 ，他們這樣做無非是要達到黨同門、妒道真的政治目的。劉歆的批評可謂一針見血。
自西漢晚期開始，古文經學的振興是與劉歆的積極倡導分不開的。他在長期校理秘書籍的過程中，接觸到大批外人無法看到的古文經籍，從而產生了濃厚的研究興趣，並做出了空前的成績。具體地說來，有以下幾點：第一，重新排列了六藝的次序，把《易》經提到首要的地位。同時，協助劉向將內朝秘藏中發現的《古文易經》校對當時通行的《易經》各種隸書本，把費氏《易》定為古文經典。自孔子以來，六藝次序總是以《詩》《書》為先，然後一般是《禮》《樂》《易》《春秋》。劉歆認為，“六藝之文，……《易》為之原”。他對《易》頗有研究，認為《易》經由上古伏羲、中古文王、下古孔子三位聖人才完成的，故曰“《易》道深矣，人更三聖，世曆三古”，因此，六藝之首當推《易經》。從此以後，曆代誌書和目錄關於六藝的次序，均以劉歆的說法為準。至於《易》的流傳，西漢施氏、孟氏、梁氏、京房、費氏《易》、高氏《易》等等，都是隸書的抄寫本子。劉向、劉歆父子發現了戰國遺存的古文字，用來校對各種隸書本，結果隻有費氏《易》與古文字相同，於是確定費氏《易》為古文經典。
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