1884年7月22日，刘道一生于湖南省湘潭县花萼乡八斗冲（今属白石铺乡广桥村）。刘道一，谱名吉唐，字炳生，自号锄非，又号培雄，华夏先烈。祖籍湖南衡山，先祖刘宗汉康熙年间迁居湘潭，先居湘潭上八都杨柳冲三人垇，后在湘潭九都十甲广东桥下刘家湾建宅定居。他的后裔世代留居在湘潭，形成衡山迁湘潭刘氏。

其父刘方峣早年为湘军营勇时，因仗义释放被俘的太平军总制林迪荣，为避祸，改名鹏远，徒匿至湘潭县花萼乡八斗冲定居，后在湘潭县衙充刑房当差役。刘方峣有3个儿子，分别是刘谦唐、刘吉唐和刘六一。刘谦唐，即刘揆一谱名。

刘道一幼时聪慧，成绩优异，幼年入私塾读《孟子》，能琅琅成诵，性格开朗，能言善辩，锋芒毕露。后入县城益智学堂学习，受革命潮流和兄长刘揆一的影响，思想激进。读《汉书·朱虚侯传》时，对“非其种者，锄而去之”这句话非常欣赏，便自号“锄非”。后入长沙修业学校、湘潭美国教会学校。他尤其在政治上早熟，八国联军打进北京时，他极其关切祖国命运。

1903年（光绪二十九年），黄兴在长沙组织反清革命团体华兴会。

1904年，刘揆一、吴禄贞等人发起成立了反清革命团体华兴会，刘道一亦加入其中。因其具有语言天赋，被华兴会内圈组织同仇会派去湘潭策动联络哥老会首领共图大业。刘道一不但顺利完成任务，还像会党同志宣扬革命道理。3月，刘道一考取官费生留日，入清华学校（即原东京大同学校）读书。在日期间，刘道一受到东京留学生革命气氛影响，逐渐成为激进的民主主义者。

1905年8月，刘道一参与了同盟会的筹划工作，同盟会成立后被推为书记、干事。之后，革命党与保皇派论战时，他积极参与其中，发表有《驱满酋必先杀汉奸论》等文章。12月，加入秋瑾等人组织的秘密革命团体“十人团”，随后又与秋瑾等人加入冯自由在横滨创办的“洪门三合会”，被封为“草鞋”（即将军）。

1906年奉命回国联络会党、新军，全盘负责组织和发动萍浏澧起义，这是中国同盟会成立以来第一次大规模的武装起义。起义本约于12月底清吏封印时发动，但是部分会党同志却迫不及待于12月4日率先发难于麻石，刘道一等人得知后只好紧急应对，在四出联络起义军的过程中，因疏于掩护被清兵抓获。

1906年秋，刘道一奉派与蔡绍南、彭邦栋等回湖南，以图“运动新军，重振会党”，酝酿武装起义。他到长沙后，与蔡绍南约集革命同志数十人在水陆洲（即橘子洲）船上密会，传达黄兴部署武装起义的意见。会后，刘道一留长沙掌握全局，负责与同盟会东京本部及各方面的联系，蔡绍南则前往萍乡一代联络会党，计划等军队策反成熟后，在阴历年底，清廷封印时举事。

1906年12月4日，蔡绍南、龚春台等领导萍浏醴起义提前爆发，声势浩大，清廷震惊，急调湘、鄂、赣诸省五万兵丁会剿。起义队伍纪律不严，指挥失灵，终于失败。当时，刘道一正在长沙运动新军，听到举事的消息后，日夜加紧准备，以便起义队伍攻取长沙时，新军及防营能开城响应。他先在长沙筹划，随后又往衡山进行联络。但是他的行踪早已引起清廷地方政府的怀疑，不幸在由衡阳返回长沙途中，被湖南巡抚岑春煊派兵逮捕，解送臬司督同长沙府审讯。

他在狱中屡遭酷刑，坚不吐实，威武不屈，大义凛然，写下“天地方兴三字狱，但期吾道不终孤。舍身此日吾何惜，救世中天志已虚。”面对严刑拷问，他怒斥道：“士可杀，不可辱，死即死耳！”清吏无奈，以从他身上搜出一枚“锄非”二字印章为借口，于当年12月31日将他杀害于长沙浏阳门外，年仅22岁。

黄兴在东京得知刘道一牺牲后，与刘揆一相抱痛哭。孙中山闻讯，满含悲愤，作诗哀挽。刘道一的父亲刘方峣因悲愤过度而仆地中风，1个月后也病逝。刘道一的夫人曹庄当时正在长沙周氏家塾读书，闻信自杀，未成，2年后仍自缢殉节。

刘道一是留日学生中因反清革命被杀害的第一人，也是同盟会会员中为革命流血牺牲的第一个烈士，著有《衡山正气集》。