刘存厚幼读私塾，17岁参加郡院试，不中。光绪二十八年（公元1902年）秋，四川武备学堂设立，刘存厚考入本课科学习。光绪三十年（1904年），刘存厚与周骏、尹昌衡等人被该学堂首批选送入日本陆军士官学校第六期步兵科学习。在校与尹昌衡、唐继尧、李烈钧相善。宣统无年（1909年），刘存厚毕业回国，经北京军咨府（即参谋部）、陆军部考试及格，奖给陆军科举人，得到段祺瑞的赏识，推荐给云贵总督李经羲，调往云南练兵。
云南讲武堂正式成立后，刘存厚任战术教官。讲武堂总办罗佩金、监督李根源，俱是士官生、同盟会员。教官中刘存厚等近30名士官同学，也参加了同盟会。宣统三年（1911年）初，士官三期生蔡锷任清陆军十九镇三十七协统领（相当旅长），罗佩金任三十七协七十四标统带（相当团长），刘存厚任七十四标第一营管带（相当营长）。三十七协和讲武堂，后来成为云南反清革命的两个据点。刘存厚附和其间，同时又与清督练公所总参议靳云鹏相周旋。
昆明光复，蔡锷为云南都督，令唐继尧进军贵州。唐继尧任贵州都督后，派韩建铎为“援川”滇军司令，刘存厚为总参谋，率两梯团约3000人，进驻四川叙府（今宜宾）、泸州、自贡盐场，捕杀当地同盟会义军首领，提取盐款，委派行政官吏。四川都督尹昌衡派第二、三镇川军进驻自流井界牌，决心武力驱滇。经蜀军政府代表胡景伊与四川军政府代表一起和滇军交涉，礼送滇军出境。刘存厚知道回滇仍无出路，就密电尹昌衡表示愿意返蓉。尹复电欢迎，存厚就借口父亲嘱回，于民国元年（公元1912年）3月初，离开滇军，返抵成都。
当时成渝两军政府合并后，尹昌衡已将川军扩编为三镇。为了安置刘存厚，尹昌衡特意增编第四镇，任命刘存厚为统制（相当师长）。不久改镇为师，刘存厚任第4师师长。
1913年7月，尹昌衡出师康定平叛，胡景伊护理川督，投靠袁世凯，排挤打击革命党人，对刘存厚等人竭力拉拢。胡景伊是袁世凯之与党（即盟党）共和党的四川支部常务理事。这时，刘存厚、周骏请准加入共和党，转而拥胡。8月，川军第5师师长、重庆镇守使熊克武和杨庶堪宣布独立，响应讨袁，分兵西进讨胡。胡令川军1师周骏、4师刘存厚迎击。熊军败退。9月，刘存厚军进驻重庆，大肆搜捕国民党人，株连无辜，抄查财物，得银20多万元，旋师成都。川军2师彭光烈因通熊问题，全师解散。遂将第4师番号改为第2师，刘存厚任师长，授陆军中将衔。
1915年初，袁世凯任命陈宧会办四川军务，率北军冯玉祥等三个混成旅入川。调胡景伊入京。后又特任陈宧为成武将军，督理四川军务，在全川实行大清乡，扫清各种反袁力量，为袁氏阴谋帝制铺平道路。陈宧派刘存厚为川南清乡军总司令，率兵2团，由成都驻守泸州。10月，袁氏宣布实行帝制。12月，蔡锷等在云南独立，通电讨袁，处任护国军第一军总司令，罗佩金为部参谋长，北出四川永宁(今叙永县)。
蔡锷军进入川境后，刘存厚被作为重点争取对象，双方互通电讯，商议反袁。当时，刘存厚二弟刘存重任叙永县知事，刘父就养任所。刘存厚率部移驻永宁后，刘父也竭力支持举义。
1916年1月29日，刘存厚由永宁到纳溪。31日，在纳溪以“护国川军总司令”名义，向全川军民发出讨袁露布（檄文），宣布独立。当时川、滇护国军共约7000人，袁军曹锟、张敬尧、陈宧等部实力在50000人以上。护国军与袁军在泸州、纳溪西南棉花坡、大洲驿一带激战，相持两个多月。各省纷起讨袁。袁氏被迫宣布撤销帝制。陈宧也被迫正式宣布四川独立。袁氏于6月6日死亡后，黎元洪继任大总统，段祺瑞任国务总理兼陆军总长。黎元洪任命蔡锷为四川督军兼省长。
7月20日，刘存厚部入成都，布告摄行军民政务，维持秩序，强行提取银款48万元。29日，蔡锷抱病入成都，全城悬挂国旗，刘存厚率领机关、法团、学校、地方耆老，到牛市口迎接。蔡锷电保刘存厚为川军第2师师长，权委川军第1军军长，请授陆军上将衔。这是刘存厚历史上最为光彩的一页。此后，刘存厚就开始在一系列军阀混战中，逐步把自己塑造成为一个顽固、守旧、反动的地方军阀形象。
1916年8月，蔡锷受唐继尧排挤，离蓉赴日就医。9月，北京政府电令罗佩金（云南人，国民党员）暂署四川督军，戴戡（贵州人，进步党员）暂署四川省长。刘存厚仍维持原职，大失所望。罗佩金肆意推行唐继尧滇人制川的军阀割据政策，对刘存厚一向轻视、疏慢。刘存厚通过吴莲炬（四川人，共和党籍国会议员）、张澜（四川人，进步党人）向北京输诚，取得段祺瑞、靳云鹏等人的支持和梁启超、蒲殿俊等人的好感。同时在川籍军政人士中大肆活动拉拢，做好武装准备，决意武力驱滇。
1917年3月，罗佩金召集各军将领成都会议，缩编川军。会后，刘存厚宴请川军各师将领和代表，一致反对改编。由刘存厚领衔向北京政府发出“五师长指控罗佩金调集滇军准备作战”的通电。4月18日晚，罗、刘成都巷战开始。主战场在成都市中心皇城一带。两军放火焚烧民房，双方白刃肉搏，伤亡数百人。20日，北京政府电令：免去罗佩金四川督军职，改任超威将军；免去刘存厚川军第2师师长职，改任崇威将军。又令戴戡代理四川督军。24日，罗佩金被迫交出督印，率部移驻外东至仁寿、简阳一带。后又退至自流井、富顺一线。刘存厚部亦退驻北门凤凰山。刘、罗之战结束。
