劉治洲早年就讀於鳳翔府中學堂，後入上海理化專科學校，畢業後短暫復日本留學，於日本加入同盟會。1910年，劉治洲返國後回鄉任教，在辛亥革命時在鳳翔響應，並聯繫各地革命民軍協同作戰。民國成立後，劉治洲獲選為陜西省議員、國會眾議員等；在護法運動期間轉赴廣州，任大元帥府秘書。1922年，劉治洲應黎元洪之邀返回北方，任農商部次長，也在吳佩孚麾下兼任顧問，1925年時再外派為陝西省長，並協助馮玉祥入陝再起。
北伐期間，劉治洲隨馮玉祥第二集團軍攻入河南，並出任鄭州市長、河南省建設廳長等，在中原大戰時仍繼續支持馮玉祥對抗中央。1933年，馮玉祥成立察哈爾抗日同盟軍，以劉治洲任總司令部參贊，聯繫各方勢力共同抵制中央，不久失敗被捕，獲釋後轉入宋哲元部下擔任顧問。抗戰期間，劉治洲回到陝西擔任省政府委員，期間開始與中共密集接觸，協助中共運送武器進入延安，並在省政府中安插中共成員。戰後，劉治洲赴上海居住，並獲選為國大代表，於1949年後仍留在中國，晚年加入中國國民黨革命委員會（民革）。1963年7月6日，劉治洲病逝於北京。