刘歆在经学史上的第一个贡献是发现了一批晚出先秦经书，使之免于佚失，由于刘歆的倡导宣扬，使这批古文经书为社会和士人广泛得知，遂转相传习不辍。
刘歆在经学史上的第二个贡献是开辟了以文字和历史解经的新方法，为了发扬古文经，刘歆等人重视训诂，不仅凭此以读经，且据古文的字体笔意以解经。
刘歆在经学史上的第三个贡献是打破了今文经学对儒学的垄断，开启了古文经学的发展道路。如果是董仲舒开创了以微言大义经的今文经学的话，那么重视名物制度的古文经学就是刘歆开其山门了。
刘歆对“五经”古文经典的整理作出了很大的贡献，他所特别爱好且最有研究的是《左传》。汉哀帝即位时，刘歆建议将《左氏春秋》及《毛诗》《仪礼》《古文尚书》皆列于学官。哀帝下诏征询臣下对立《左传》博士的意见，同时让刘歆去跟今文经博士们讨论经义。
刘向、刘歆父子经过二十多年的努力，圆满地完成了华夏历史上第一次由政府组织的大规模图书整理编目工作，在这次校理群书的工作中，刘歆创造出一整套科学的方法。为了对书籍的篇章文字等进行校正和勘定，他们首先兼备众本，广搜异本；然后选定篇目，去除重复；再后纠理错简，校雠文字；最后勘定书名，誊清新本，总共整理出图书三万三千零九十卷，收藏于禄阁、石渠阁，建立邻一个国家图书馆，并为先秦古籍的流传，为图书由官府收藏走向民间普及做出了重大贡献。他们系统的古籍整理方法，使校勘、辨伪、考据等学问开始产生。
刘歆在其父刘向编纂《别录》的基础上进一步加工，编成了一部综合性的图书分类目录《七略》，为华夏第一部图书分类目录，是具有学术史价值的着作。《七略》计七卷，其《辑略》为全书的叙录，其余六卷，佣六艺略》《诸子略》《诗赋略》《兵书略》《术数略》《方技略》，将着录的图书分为六个大类，三十八种，六百零三家，一万三千二百一十九卷。《七略》“辨章学术，考镜源流”，对每种每类都加序，明其学术源流、类别含义等，不仅对当时的学术发展有很大的推动作用，对后世的目录学更有着深远的影响，成为华夏目录书的典范。着《移书太常博士》是经学史上重要文献，制作量器“律嘉量”，即圆柱形的标准量器。根据量器的铭文计算，所用圆周率是3.1547，世称“刘歆率”。
刘向、刘歆父子领导的校理群书的工作，创造出一整套科学的方法。为了对书籍的篇章文字等进行校雠和勘定，他们首先兼备众本，广搜异本；然后选定篇目，去除重复；再后纠理错简，校雠文字；最后勘定书名，誊清新本。总共整理出图书三万三千零九十卷，刘氏父子典籍整理的一个重要工作是编制目录，首先是在每一本书校勘誊清后，由刘向父子集其篇目，叙其旨意，写成叙录，也就是后代的提要。然后，又将各书的叙录集合一起，按部类抄成一书，称为《别录》。这主要是刘向完成的。最后是刘歆在《别录》的基础上进一步加工，编成了一部综合性的图书分类目录《七略》。
刘歆本来从其父学习《诗》《书》《易》和《谷梁传》，在经学上很有造诣。在勘校中秘藏书的过程中，他发现了用先秦古文抄写的《春秋左氏传》，特别喜爱。于是，他一边向研治《左传》有师承的尹成和翟方进学习，请教书中的许多问题及其义理，同时，和父亲刘向一起讨论、辨析《左传》的内容。还以《左传》“教授子孙，下至妇女，无不读耍”将《左传》与当时已立于学官的《公羊传》《谷梁传》比较，他认为“左丘明好恶与圣人同，亲见夫子，而公羊、谷梁在七十子后，传闻之与亲见之，其详略不同。”《左传》的价值，在《公羊》《谷梁》之上。
今文经学：刘歆作为西汉末期的着名学者，他曾对西汉中叶以来盛极一时的今文经学进行过尖锐批评。他认为今文经学分文析字，烦言碎辞，学者罢老且不能究其一艺，根本无法达到用日少而畜德多，以对人民进行道德教化的目的，因此他要求存其大体、玩经文而已，尽快结束那种 一经至百余万言的烦琐的章句学风。除此之外，刘歆还对今文经学的以家法传授的弊端进行了指责，认为他们信口而背传记，是末师而非往古 ，他们这样做无非是要达到党同门、妒道真的政治目的。刘歆的批评可谓一针见血。
自西汉晚期开始，古文经学的振兴是与刘歆的积极倡导分不开的。他在长期校理秘书籍的过程中，接触到大批外人无法看到的古文经籍，从而产生了浓厚的研究兴趣，并做出了空前的成绩。具体地来，有以下几点：第一，重新排列了六艺的次序，把《易》经提到首要的地位。同时，协助刘向将内朝秘藏中发现的《古文易经》校对当时通行的《易经》各种隶书本，把费氏《易》定为古文经典。自孔子以来，六艺次序总是以《诗》《书》为先，然后一般是《礼》《乐》《易》《春秋》。刘歆认为，“六艺之文，……《易》为之原”。他对《易》颇有研究，认为《易》经由上古伏羲、中古文王、下古孔子三位圣人才完成的，故曰“《易》道深矣，人更三圣，世历三古”，因此，六艺之首当推《易经》。从此以后，历代志书和目录关于六艺的次序，均以刘歆的法为准。至于《易》的流传，西汉施氏、孟氏、梁氏、京房、费氏《易》、高氏《易》等等，都是隶书的抄写本子。刘向、刘歆父子发现了战国遗存的古文本，用来校对各种隶书本，结果只有费氏《易》与古文本相同，于是确定费氏《易》为古文经典。
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