湖北汉阳人，生于湖北阳新县。12岁时从汉阳小学跳级到九江同文书院学习。5年后毕业被保送进苏州东吴大学。民国4年（1915年）以优异成绩毕业于东吴大学医预科，并获得奖学金赴美国留学。抵美后他放弃学医,改入芝加哥大学教育系。毕业后于民国7年入哥伦比亚大学教育学院研究院继续深造。民国11年获哥伦比亚大学哲学博士学位。同年回国，任南京东南大学教授。次年应邀到上海，任中华职教社职业指导委员会主任委员，中华基督教青年会全国协会教育部总干事，同时兼任多所大学教职。期间：宣传“教育救国”、“公民教育”，提倡举办职业学校和文化补习学校，并任上海职业指导所主任。

民国14年5月，上海发生震惊中外的五卅惨案。圣约翰大学内的中国师生集会升半旗以示哀悼，美籍校长卜舫济竟当众撕毁中国国旗，全校爱国师生愤而退出该校，自行组织光华大学。刘湛恩全然不顾教会的反对和阻挠，协助建校并担任光华大学校董兼教授。民国15年起4次当选中华职教社评议员。民国17年受上海沪江大学校董会之聘，出任沪江大学校长，成为该校第一任中国籍校长。任上，进行教育整顿和改革。聘请有真才实学的专家学者任教，增设商科的工商管理、国际贸易、银行、会计等专业，化学系外又另设生物系，与协和医学院挂钩，协和承认沪江的学分，学生在沪江读几年后经考核及格，可进协和医学院。特别重视课堂学习和实际工作的结合，加强商科各专业与上海工商企业、金融机构的联系，并建立自幼稚园到高中一整套教学实验体系。不久，在圆明园路创办城中区商学院。商学院除大学本科4个系外，并为在职青年设置大学专修科、普通科和单科训练的特科。商学院还为照顾在职青年学生和兼课教师时间上的冲突，利用夜间业余时间授课。

民国20年“九一八事变”后，大声疾呼救亡图存，并利用出国考察和参加国际会议等机会，在欧美各国和南洋各地揭露日本帝国主义对我国的侵略行径，号召侨胞团结一致，支援国内的反侵略斗争。八一三淞沪抗战爆发后，沪江大学校本部并入城中区商学院，与东吴、圣约翰大学组成教会联合大学，继续开课。刘湛恩除主持联大校政外，还积极从事抗日活动，被推为上海各界救亡协会主席和上海各大学抗日联合会负责人。民国26年11月，日军进占上海，租界沦为“孤岛”，汉奸、暴徒横行无忌，暗杀、绑架事件频出。刘置自己安危于度外，日夜为抗日工作而奔忙。翌年春，日伪酝酿在南京组织傀儡政权，邀刘出任 “教育部长”，被严词拒绝。其抗日爱国言行被日伪视为眼中钉，曾多次接到谩骂和威胁恫吓的电话和信件，还收到一筐注入毒药的水果。友人劝离沪暂避,但他表示留在上海的抗日协会负责人已所剩无几,沪江大学行政也必须有人主持,决不能临危退离。1938年4月7日晨，刘携子出门，在静安寺路大华路(今南京西路、南汇路)口公共汽车站候车去圆明园路学校时，突遭日伪收买的暴徒狙击。当即牺牲，年仅43岁。主要著作有《公民与政治》《职业教育研究大纲》等。