刘武周，河间郡景城县人。父亲刘匡，搬迁到马邑县。刘武周勇猛迅捷善于骑射，跟强横任侠之徒交往密切。他的哥哥刘山伯每每警告他说“：你不加选择地交朋结友，最终会犯灭族大罪的。”多次辱骂他。刘武周因此离家到洛阳，替太仆卿杨义臣当士卒，应召入伍征讨辽东，凭战功被任命为建节校尉。
回到家乡河间郡，任鹰扬府校尉。郡太守王仁恭认为他是本郡的杰出人才，非常信任优待他，每每叫他带领侍从们居住在小门内的屋子里。趁便跟王仁恭的侍女私通，害怕事情败露，又见天下已经动乱，暗藏野心，就在郡中散布说：“现在百姓饿得要命，田野上死人压着死人，王府尹关着粮仓不愿救济，哪管百姓的死活啊！”用这些话激怒了群众，都发泄着愤怒怨恨。刘武周见民心已经动摇，就诈称生病不起床，老家的强横凶顽之徒都来问候，于是杀牛打酒大吃大喝口出狂言说：“造反才能像这样生活，英雄好汉就要坚守志向，一起死在溪谷山沟也在所不辞。如今仓库里堆积的粟米都要烂了，谁敢跟我去拿来？”这班人都赞同响应。他跟同郡的张万岁等十多人瞅准王仁恭正在处理公务，刘武周就去禀告事情，张万岁从背后溜进来，在郡厅斩杀了王仁恭，拿着他的首级到郡城宣传展示，没有人敢动一动。于是开仓放粮救济贫苦百姓，在郡内发送快报，所属各县都归附了他，得到士卒一万多人。
刘武周自称太守，派遣使者去投靠突厥。隋朝雁门郡丞陈孝意、虎贲将王智辩联合兵力讨伐他，包围了他的桑干镇。碰上突厥派来大队人马，同刘武周一起打王智辩，隋军战败。陈孝意逃回雁门，部下杀了他，献城投降刘武周。于是突袭攻克了楼烦郡，进军夺取了汾阳宫，抓来隋朝的宫女去贿赂突厥，始毕可汗用马答谢他，士气更加高涨。于是攻克了定襄，又回到马邑县。突厥把刘武周立为定杨可汗，把有狼头图徽的大旗送给他，他就僭越自称皇帝，把妻子沮氏当作皇后，年号定为天兴。任命卫士杨伏念为左仆射，妹夫同县人苑君璋为内史令。
在这之前，上谷郡人宋金刚聚集了一万多人，在易州的边境地区结伙抢掠，定州的叛军首领魏刀儿跟他里外勾结。后来魏刀儿被窦建德消灭了，宋金刚去援救他，吃了败仗，带领剩下的四千人投奔了刘武周。刘武周一直听说宋金刚善于带兵打仗，得到他十分高兴，称他为宋王，把军事事务派给他管，平分出一半家产送给他。宋金刚也用重礼结交刘武周，于是抛弃自己的妻子，要求娶刘武周的妹妹为妻。又怂恿刘武周设法夺取晋阳，跟南边的各武装集团争夺天下。刘武周任命宋金刚为西南道大行台，命令他率领两万士卒进犯并州，驻扎黄蛇镇。又接来突厥的人马，锐气很高，突袭攻克了榆次县，进而攻下了介州。唐高祖派遣太常少卿李仲文率领人马讨伐他，被宋金刚拘捕，全军覆没。李仲文后来逃回唐朝。再派右仆射裴寂抵御他，一打又被战败。刘武周继续进逼，总管齐王李元吉丢下太原城悄悄逃跑了。刘武周于是攻占了太原。派宋金刚进军攻打晋州，打了六天城被攻破，右骁卫大将军刘弘基被杀。刘武周继续进军攻占浍州，浍州所辖各县全部夺取。
夏县人吕崇茂杀死县令，自称魏王，响应刘武周。河东叛军首领王行本跟宋金刚秘密建立友好关系，唐朝廷非常震惊。高祖命令太宗扩充兵力进军讨伐，滞留在柏壁，很长时间相持不下。又命令永安王李孝基、陕州总管于筠、工部尚书独孤怀恩、内史侍郎唐俭进军攻打夏县，不能取胜，在夏县城南扎营。吕崇茂与叛军将领尉迟敬德突袭攻取李孝基的营地，各路军队都被打败，四位将领一起被杀。尉迟敬德返回浍州，太宗在美良川阻击，大败尉迟敬德。尉迟敬德和叛军将领寻相又到蒲州去援救王行本，太宗又在蒲州打败了他们。高祖亲自视察蒲津关，太宗轻装骑马从柏壁到高祖住地拜见。宋金刚就包围绛州。等到太宗返回，宋金刚畏惧就带领部队撤退了。刘武周在浩州再次进攻李仲文，多次战斗都失败了，加之粮草运输接不上，士卒们极端饥饿，于是宋金刚就悄悄跑了。太宗又在雀鼠谷追上了宋金刚，一天之内战斗八次，次次打败宋金刚，活捉、杀死几万人，缴获军用物资一千多车。宋金刚跑到介州，唐军紧追不放。宋金刚还有两万人马，从西门出城，背靠城池摆开阵式，太宗和各将领奋力作战打败了他，宋金刚轻装溜走。他的骁勇将领尉迟敬德、寻相、张万岁集合自己的精悍士卒，献出介州和永安投降唐朝。刘武周大为惊慌，带领五百人马丢下并州向北逃跑，从乾烛谷逃亡突厥。宋金刚又收集逃散的士卒抵御唐军，人们不跟他干，伙同一百多人也跑到突厥。太宗进军平定并州，全部收复原有地盘。没过多久，宋金刚背叛突厥逃跑，即将回到老家上谷郡，被追来的骑兵抓住，处以腰斩。刘武周也想设法回到老家马邑县，消息泄露，被突厥杀死。刘武周从起兵到被杀，共六年时间。