刘元海，新兴匈奴人，是汉时匈奴领袖冒顿的后裔，他的名与唐高祖李渊相同而犯忌讳，所以只叫他的字。
当年，汉高祖将一位同宗的女儿封为公主，嫁给冒顿，并与冒顿相约为兄弟，所以，冒顿的子孙都以刘氏为姓。建武初年(25)，乌珠留若革是单于的儿子右奥革建日逐王比自称南单于，进入西河的美稷定居，现在离石的左国城就是单于迁移的宫廷。中平年间(184～190)，单于羌渠派儿子于扶罗率兵援助汉朝，讨伐、平定黄巾军。当时正碰上羌渠被国人所杀，于是，于扶罗将所率的兵众留驻在汉朝，自称为单于。紧接着董卓叛乱，于扶罗率兵攻击、劫掠太原、河东，最后驻扎在河内。于扶罗死后，他的弟弟呼厨泉继位，任命于扶罗的儿子刘豹为左贤王，刘豹就是刘元海的父亲。后来，魏武帝将呼厨泉的兵众分为五部，任命刘豹为左部帅，其余部帅也都由刘姓担任。太康年间(280～290)，改变旧制，设置都尉，匈奴各部中，左部居住在太原的兹氏，右部居住在祁地，南部居住在蒲子，北部居住在新兴，中部居住在大陵。刘姓虽然分居在五部，但是，从大的范围上看，他们都是居住在晋陽的汾水和涧水一带。
刘豹的妻子呼延氏，魏嘉平年间(249～254)，曾在龙门祈求神赐给她儿子，不一会儿，有一条头上长有两只角的大鱼，摆一动着鳍，晃动着鳞游到祭神的地方，很长时间以后才游走。巫师们见到这种情景都感到非常奇异，他们说：“这是好的征兆。”当天晚上呼延氏梦见白天所看见的那条鱼变成了人。他左手拿着一样东西，约有半个鸡蛋大，景象诱人。他交给呼延氏说：“这是太陽的一精一华，吃了它就能生下贵子。”醒后，呼延氏讲给刘豹听，刘豹说：“这是好的征兆。以往，我让邯郸张礒的母亲司徒氏给我看相，她说我会有显贵的子孙，三代后我们家一定非常昌盛，司徒氏的话与现在发生的事情是相符的。”此后，过了十三个月，呼延氏生下了刘元海。刘元海生下时，左手上有渊字的纹路，于是，刘豹就以渊作他的名。小的时候，刘元海非常聪慧，七岁时，他母亲去世，他捶胸顿足，嚎啕大哭，邻居们都被他的悲伤所感动，宗族、部落的人都赞赏他的孝顺。当时，太原人司空王昶等人听说后也非常赞赏刘元海，并且，派人前去吊唁。刘元海幼年一爱一好学习，拜上一党一人崔游为老师，学习《一毛一诗》、《京氏易》、《马氏尚书》，他尤其一爱一好《春秋左氏传》、《孙吴兵法》这两部书，大致都能诵读，而《史记》、《汉书》、诸子的著作，没有不阅读的。刘元海曾经对一起学习的同学朱纪、范隆说：“我每次看书传的时候，往往禁不住要鄙弃随何、陆贾的缺乏武功，周勃、灌婴的缺少文才。道是由人来发扬光大的，一个方面的知识不了解，本来就是君子所看不起的。随何、陆贾遇上高皇而不能够建立起封侯的功业，周勃、灌婴跟随太宗而不能开创教化的大业，可惜啊！”于是，开始学习武学知识和技能，一精一妙出众，他臂长而善于射箭，体力超过一般人。姿态、仪表魁梧，身高八尺四寸，胡须长三尺多，心口上有三根红色的毫一毛一，长三尺六寸。当时，屯留人崔懿之、襄陵人公师..等都善于给人看相，见到刘元海，他们都非常惊奇，并且相互转告说：“这人的形体、相貌不一般，是我从来没见到过的。”于是，他们对刘元海都非常崇敬，彼此间按照名分建立起了恩情。太原人王浑像对待朋友一样虚心地对待他，并且让他的儿子王济拜见他。
咸熙年间(264～265)，刘元海作为人质住在洛陽，文帝非常友好地对待他。泰始(265～275)之后，王浑又多次在武帝面前推荐他，于是，武帝召见他，与他交谈，非常赏识。武帝对王济说：“刘元海的容颜、仪表，即使是春秋的由余、汉代的金日石单也不能高出他。”王济接着说：“元海的外在仪表、容颜，实在如陛下您所说，然而，他的文武才干又超出由余、金日石单很远啦。陛下您若能委任他统领东南地区的事务，那么，吴会地区就不愁不能平定。”武帝欣然赞许。可是，孔恂、杨珧又进言说：“依我观察，刘元海的才干现在恐怕没有人能与他相比，陛下您若是不重用他，他就成不了大气候，若是授予他权力，树立他威望，那么，平定吴地之后，恐怕他就不再向北渡江回师了。刘元海与我们不是一个民族，他必然会有异心。现在，委任他治理本部的事务，我们已为陛下您感到寒心，若是还要将天然险阻之地赐给他，恐怕是不行的。”武帝默然不语。
后来，平定秦州、凉州的晋军溃败了，武帝访求将帅们收复失地的办法，上一党一人李..说：“陛下您若是真的能够征发匈奴五部的兵众，授予刘元海一个将帅的封号，让他们向西部进军，那么，西部的秦州、凉州便指日可定。”孔恂说：“李公的话，不完全符合消除祸患的情理。”李..勃然大怒道：“凭匈奴人的强悍，刘元海的熟悉兵法，让他们奉命去显示皇上的圣武，有什么不能得到！”孔恂接着说：“刘元海若是能够平定凉州，斩杀树机能，恐怕凉州境内又有乱了。蛟龙得到云雨，就不再是池塘中无法施展能耐的小东西了。”武帝于是放弃任用刘元海的打算。后来，王弥从洛陽回东边，刘元海在九曲河滨为王弥饯行，流着泪对王弥说：“王浑、李..因为同乡的缘故而对我有所了解，他们常常称道、推荐我，可是，一些人也乘机向皇上大进谗言，这一些，都不是我所希望的，相反，刚好足以对我构成危害。我本来并没有做官的想法，这一点，只有您明了。恐怕我会死在洛陽，永远与您诀别了。”于是情绪激昂，尽情地喝酒，大声地慨叹，大声地呼叫，声音嘹亮，在坐的人禁不住因此而流泪。齐王司马攸当时正在九曲，听说这件事派人快马去察看，看见刘元海正在那里，于是对武帝说：“陛下您如果不除掉刘元海，恐怕并州就不能够长久地安定。”王浑又进言道：“刘元海是长者，我王浑替君王担保讲明这件事。况且大晋正要向少数民族表明用诚信相待，用德政使远方的人归附，怎么能够凭连萌芽状态都没有的嫌疑杀戮别人送来伺候的人质，以表明晋朝恩德不广呢？”武帝说：“王浑说得对。”
当时，正碰上刘豹去世，于是，任命刘元海代理左部部帅。太康末年(290)，晋武帝又封刘元海为北部都尉。刘元海在任期间，严明刑法，禁止各种邪恶的行为，他不看重财物，一爱一好施舍，与他人相交，推诚相见。这样，五部的豪杰都纷纷投奔到了他的门下，幽州、冀州知名的儒生，后学中杰出的人士，不远千里，也都来此游历。杨骏辅助朝政时，任命刘元海为建威将军、五部大都督，封为汉光乡侯。元康末年(300)，刘元海因为部人叛逃出塞而被免官。成都王司马颖镇守邺城，上表推荐刘元海做宁朔将军、监五部军事。
晋惠帝时，皇室渐渐失去了对国家政权的控制，贼寇、强盗大批地出现。刘元海的堂祖父，原来的北部都尉、左贤王刘宣等人秘密地商议说：“以往，我们的先人与汉朝约为兄弟，忧和喜共同享有。汉朝灭亡以来，魏、晋继而兴起，我们单于，虽然有一个空虚的名号，可是，不再拥有哪怕一尺土地的基业，从王侯慢慢下降到同平民差不多了。现在司马氏亲骨肉间相互残杀，天下一片动荡，我们建立国家、复兴祖业，大概就在这时了。左贤王刘元海的姿貌、风仪和才能超人绝世，上天倘若不是要光大单于，不就虚生这种伟人了吗？”于是，秘密地共同推举刘元海为大单于，并且派他们的一党一羽呼延攸到邺城，将秘谋的内容告诉给刘元海。刘元海请求回故地会合行送葬之礼，司马颖没有答应。于是，刘元海让呼延攸先回去，告诉刘宣等人招集五部人众，会同宜陽的诸多胡人，表面上宣称响应司马颖，实际上是要反叛司马颖。
司马颖做皇太弟，任命刘元海为太弟屯骑校尉。晋惠帝讨伐司马颖，驻扎在荡陰，司马颖任命刘元海代理辅国将军，负责北城防守诸事务。等到惠帝六军战败的时候，司马颖又任命刘元海为冠军将军，封为卢奴伯。不久，并州刺史东赢公司马腾、安北将军王浚，起兵讨伐司马颖，刘元海劝司马颖说：“现在二镇的人骄横、强一暴，兵众十万，恐怕不是宿卫军以及都城附近的兵士所能抵抗得了的，我请求回去为殿下您劝说五部的人马来赴国难。”司马颖说：“五部的人马可以担保前来不？即使能够前来参战，鲜卑、乌丸之人强劲、快捷如同风云，是那么容易抵挡的吗？我想护送皇上回洛陽，以避开他们的锋芒，接着再慢慢地告示天下，以叛乱的名义，名正言顺地制一服他们。您认为怎样？”刘元海回答说：“殿下是武皇帝的儿子，对王室有突出的功劳，有威望、恩泽广，天下人都钦佩您的风范，谁不想为殿下您赴汤蹈火、献出生命呢？这种情况下，征发士兵有什么困难呢？王浚是个小人，东嬴公只是个偏远的旁枝，他们哪能与殿下您抗衡！殿下您如果一离开邺宫，就等于向他人示弱，这样，洛陽到达得了吗？纵然到达洛陽，恐怕威望、权力就不在殿下您的手里。一纸檄文，一尺书信，有谁肯去为他人尊奉这些！况且东胡的强悍不能超过五部之人，希望殿下您鼓励、安一抚兵众，平定混乱，镇守住邺城，我当为殿下您以二部的兵力摧毁东嬴公，以三部的兵力斩杀王浚，两个小人的首级指日就可悬挂在邺城城头。”司马颖非常高兴，于是封刘元海为北部单于、参丞相军事。
刘元海到左国城后，刘宣等人尊奉他大单于的封号，二十天之内，兵众已达五万，他们在离石建都。
王浚派将军祁弘率领鲜卑兵众进攻邺城，司马颖战败，于是，挟持天子向南朝洛陽奔逃。刘元海说：“司马颖不听我的话，自己向相反的方向溃逃，真是奴才。然而我与他有言在先，不能不去救他。”于是，命令右于陆王刘景、左独鹿王刘延年等人率领步兵骑兵二万人，将去讨伐鲜卑人。刘宣等人坚决劝阻道：“晋朝昏庸无道，他们像对奴隶一样对待我们，所以右贤王刘猛非常愤怒，承受不了心里的怨恨，想有所作为，当时正碰上晋朝纲纪还未松一弛，大事还没有成就，右贤王就被杀戮，这是单于的耻辱啊。现在，司马氏父子兄弟互相残杀，这是上天厌恶晋朝的德行，将天下授予我们。单于积德在身，连晋人都佩服，现在，正应该振兴我们国家和民族，恢复呼韩邪的基业，这样，鲜卑、乌丸可以作为我们的援助力量，怎么可以阻挡他们而去拯救仇敌呢！现在，上天借我们的手来消灭晋朝，不能够违背天意。违背天意就不吉祥，违背众人的意愿就不能成就事业。上天赐予了而不接受，反过来就会受到上天的责备。希望单于不要迟疑了。”刘元海听后，说道：“说得对。应该做高山峻岭，怎么能甘心做低矮的小土丘呢！天下的帝王也不是固定不变的，大禹出自西戎，周文王出生在东夷，谁该做帝王，只是按德行的高低授予。现在，我们有兵众十多万，而每个人都相当于晋朝十个人，如果我们击鼓进军、摧垮晋朝，必将如同摧枯拉朽。这样，最理想的，可以成就汉高祖一样的基业，最差的，也不失做一个魏氏。虽然结果将是这样，但是晋朝的百姓不一定赞同我们。汉朝统治天下的时间久长，他们的恩泽深入人心，所以，昭烈帝仅在一州的土地上奔驰，就可以与天下相抗衡。我又是汉朝刘氏的外甥，我们的祖先曾与汉朝相约为兄弟，兄长灭亡了，弟弟来继承，不也是应该的吗？况且，我们还可以称汉，追认、尊奉后主，以此来使天下人的期望归向我们。”于是，迁都到左国城。不久，远方来归附的人达到数万。
永兴元年(304)，刘元海在南郊筑坛设祭，僭位就任汉王之职，他下令说：“以往，太祖高皇帝凭借他的英明、勇武而应天时，开辟伟大的事业，太宗孝文皇帝又以贤明圣德，使汉朝太平、兴盛，世宗孝武皇帝扩展疆土，驱逐东夷，疆土超过唐尧时期，中宗孝宣皇帝，器重、招纳杰出的人才，士人们大多集聚在朝中。以上这些表明，我们的祖宗，在道义方面超过了三王，在功绩方面高过五帝，所以，用占卜预测享国的年数，是夏商的一倍，用占卜预测传国的世数，超过了周代。然而，元帝、成帝多信邪僻，哀帝、平帝享国短暂，贼臣王莽，罪恶地篡夺政权，给汉朝带来了巨大的灾难。我世祖光武皇帝，天生资质勇武，恢复了汉朝宏大的基业，他祭祀神灵，使汉朝重配上天，恢复以往的一切，使昏暗的三光器再现光辉。神器没而复显，显宗孝明皇帝、肃宗孝章皇帝，历代重放光辉，光芒再现。然而，从和帝、安帝以后，国家的纲纪日渐衰败，政事步履艰难，国家濒临于灭亡。黄巾军在九州泛滥，众宦官在天下横行，董卓因此而极尽猖狂，曹一操一父子则凶残叛逆相继。所以，孝愍帝弃置万国，昭烈帝流亡岷蜀，希望否极泰来，最终返回旧京。哪里想到上天不追悔已造成的祸乱，蜀汉后主窘迫受辱。从国家沦丧到现在，汉朝的宗庙没有血祭已经四十年了，现在，上天改变了原来的初衷，开始追悔皇汉造成的祸乱，使司马氏父子兄弟轮番相互残杀。百姓困苦，无处控告。现在，我被公卿推举，继续建立三祖的事业。一想到此重任，便不免担心、害怕，甚至不知所措。但是，因为大耻还未洗刷，国家没有君主，所以我斗胆接受这个位置，尽力听从大家的决定。”于是，赦免境内囚犯，定年号为元熙，追尊刘禅为孝怀皇帝，建造汉高祖以下三祖五宗的神位进行祭祀。妻子呼延氏为王后，设置百官，任命刘宣为丞相，崔游为御史大夫，刘宏为太尉，其余的人授官各有等差。
东嬴公司马腾派将军聂玄讨伐刘元海，在大陵展开大战，聂玄军大败，司马腾害怕了。于是，率领并州二万多户百姓逃到山东，到处侵犯、騷扰。刘元海派遣建武将军刘曜进攻太原、泫氏、屯留、长子、中都，这些地方都被攻下。元熙二年(307)司马腾又派司马瑜、周良、石鲜等人率军讨伐刘元海，他们驻扎在离石的汾城。刘元海派遣武牙将军刘钦等六军迎战司马瑜等人。四次交战，司马瑜都被击败，于是，刘钦整顿军队，凯旋回师。这一年，离石大闹饥荒，刘元海迁居黎亭，以便食用邸绑屯积的粮食。刘元海留太尉刘宏、护军马景守离石，派大司农卜豫运送粮食供给他们。接着，任命前将军刘景为使持节、征讨大都督、大将军，在版桥截击并州刺史刘琨，被刘琨击败，于是，刘琨进据晋陽。侍中刘殷、王育规劝刘元海道：“殿下您从起兵到现在已经一周年了，然而，只据守在偏远的地方，威望还未远震，如果真的能够命令将士四出攻击，抓住机会，大胆地决战，斩杀刘琨，平定河东，建立皇帝的名号，向南大举进军，攻克长安，并将它作为国都，再率领关中的兵众席卷洛陽，就像转动指掌一样容易。这也是高皇帝之所以能开创宏基、消灭强楚的策略。”刘元海高兴地说道：“这就是我所想的啊。”于是进据河东，攻击蒲坂、平陽，都被攻陷。接着，刘元海进入蒲子，并将它作为都城，河东、平陽属县的各垒壁都投降了他。当时，汲桑在赵魏起兵，上郡四部鲜卑陆逐延、氐族酋长单于征、东莱人王弥以及石勒等人都相继投降刘元海，刘元海都给他们封了官爵。
永嘉二年(308)，刘元海僭位做皇帝，大赦境内囚犯，改年号为永凤。任命大将军刘和为大司马，封为梁王，尚书令刘欢乐为大司徒，封为陈留王，御史大夫呼延翼为大司空，封为雁门郡公，宗室中以亲疏为等级，都封为郡县王，异姓中以功劳、谋略为等级，都封为郡县公侯。太史令宣于修之对刘元海进言道：“陛下您虽然如龙腾起，如凤翱翔，接受大任，然而，晋朝余部尚未消灭，皇族居室窄陋，紫宫星座的变化，还指向晋氏，不出三年，必定能够攻克洛陽。蒲子地域崎岖狭小，不可长久安身。平陽有天子之气，又兼是陶唐的旧都，希望陛下您上合天象之变，下合地理之祥。”于是迁都至平陽。有人从汾水中得到玉玺，上面的文字是“有新保之”，大概是王莽时的玉玺，得到的人顺便增加了“渊海光”三字，刘元海认为是自己的好征兆，于是大赦境内囚犯，改年号为河瑞。又封他的儿子刘裕为齐王，刘隆为鲁王。
不久，刘元海命令儿子刘聪和王弥进攻洛陽，刘曜和赵固等人作为后继。东海王司马越派平北将军曹武、将军宋一抽一、彭默等人迎战，晋军大败。刘聪等率军迅速到达宜陽。平昌公司马模派将军淳于定、吕毅等率军从长安讨伐刘聪军，在宜陽决战，淳于定等大败。刘聪依仗连续的胜利，没有设防，弘农太守垣延假称投降，乘夜偷袭，刘聪军大败而回，刘元海穿着白衣服前来迎接。
这年冬天，再次征发士卒，派遣刘聪、王弥与刘曜、刘景等人率领一精一锐骑兵五万去进攻洛陽，派呼延翼率步兵接应，结果，在黄河南面将晋军打败。刘聪进军，驻扎在洛陽西明门，晋朝护军贾胤乘夜接近他们，在大夏门大战，斩杀刘聪的将领呼延颢，呼延颢军溃败。刘聪向南撤退，在洛水构筑壁垒，不久，又进驻宜陽门，刘曜驻扎在上东门，王弥驻扎在广陽门，刘景攻击大夏门，刘聪亲自到中岳嵩山求神，命令将领刘厉、呼延朗等负责指挥留守的士兵。东海王司马越命令参军孙询、将军丘光、楼裒等人率领手下勇士三千，从宜陽门攻击呼延朗，斩杀了他。刘聪得到消息后快马赶回，刘厉因害怕刘聪给自己治罪，于是投水而死。王弥劝刘聪说：“现在既然失利，而洛陽又非常牢固，殿下您不如回师，以后再慢慢地图谋。我当在兖州、豫州之间招募兵士，收聚粮食，以等待进攻的日期。”宣于修之又劝刘元海说：“辛未那一年，当攻下洛陽。现在晋朝的紫气还很盛，大军不回，必定失败。”刘元海派黄门郎傅询快马召刘聪等回师。王弥从頧辕撤出，司马越派薄盛等人率兵追击，双方在新汲大战，王弥军大败。于是整顿蒲阪的防守，回到平陽。
刘元海任命刘欢乐为太傅，刘聪为大司徒，刘延年为大司空，刘洋为大司马，赦免境内囚犯。又立妻子单氏为皇后，儿子刘和为皇太子，封儿子刘磖为北海王。
刘元海卧病，准备嘱托后事，任命刘欢乐为太宰，刘洋为太傅，刘延年为太保，刘聪为大司马、大单于，并且统领尚书事务，在平陽西部建造单于台，任命他的儿子刘裕为大司徒。刘元海病重，召刘欢乐和刘洋等人到宫禁中接受遗诏，辅助朝政。永嘉四年(311)，刘元海病笔，共在位六年，伪谥光文皇帝，庙号高祖，墓叫永光陵。他的儿子刘和继位。