比起官场政治，刘歆给历史留下的更重要的是他的学术研究。他在当时的西汉就是学术的领头人物，所以才会被王莽拉拢。后世的章太炎曾经称赞他是孔子之后学术上最大的人物。史书记载刘歆“诸子、诗赋、数术、方技，无所不究”。刘歆编制的《三统历谱》，被认为是世界上最早的天文年历的雏形，他还把圆周率计算到了3.15471。

刘向和刘歆父子都是西汉著名的学者，知识渊博，所以他们曾经奉成帝之令一同校对皇家的藏书。刘向死后，刘歆继续着父亲未完成的事业，可以说他们两人是进行着中国历史上第一次大规模的校书。因为书籍数量众多，刘向还专门编写了一本《别录》把书进行分类，刘歆在此基础上修订成《七略》。