隋朝时担任鄱阳郡
书佐。涉猎经史图籍，能言成败事。性情凶狡，见隋末天下将乱，各地交通不便利。当时北海郡富饶，
刘兰羡慕，与强人勾结，攻破其家乡的城邑。武德年间，
淮安王李神通为山东道安抚大使，
刘兰率宗党前往归顺。以功累迁尚书员外郎。《资治通鉴》记载有所不同，说刘兰成中过明经，在
綦公顺攻打北海郡的时候，帮助守护北海郡城。后来被宋书佐陷害，投靠
綦公顺。用疑兵之计，帮助
綦公顺攻下北海郡城。
刘兰成安存老幼，礼遇郡官，待宋书佐之礼如旧。又帮助
綦公顺击败海陵臧君相，随綦公顺投靠
李密，李密失败，投靠唐朝
李神通。
贞观二年（628年），
梁师都还占据
朔方，
刘兰进言攻取方略。
唐太宗赞同，命他为
夏州都督府司马。当时，
梁师都因
突厥军至城下，
刘兰偃旗卧鼓，不与其争锋，
梁师都乘夜逃遁，刘兰追击攻破，遂进军夏州。梁师都平，
突厥郁射设阿史那摸末率其部落入居河南。
刘兰离间其部落，
颉利可汗怀疑摸末，摸末害怕，颉利可汗遣兵追击，刘兰率众迎击，击败
突厥。
唐太宗以他有能力，以功改任
丰州刺史，封平原郡公，征为右
领军将军。贞观十一年（637年），
唐太宗至洛阳，以蜀王
李愔为夏州
都督。
李愔不到夏州就籓，以
刘兰为
长史，总领
夏州都督府事。贞观十三年（639年），随
侯君集、
执失思力、
牛进达参加对
吐蕃的
松州之战，这次
战役，《资治通鉴》有的版本作刘简。
贞观十七年（643年）正月，长社许绚解谶记，对刘兰说：“天下有长年者，咸言刘将军当为天下主。”刘兰子刘昭又说：“谶言海北出天子，吾家北海也。”当时鄠县县尉游文芝因罪下狱当死，告发其谋，
刘兰以谋反腰斩。右骁卫大将军
丘行恭挖出他的心肝吃了，
唐太宗听说后而召丘行恭责备他：“典刑自有常科，何至于此！必若食逆者心肝而为忠孝，则刘兰之心为太子诸王所食，岂至卿邪？”丘行恭无言以答。