王莽亦担任黄门侍郎，刘歆受到王莽的器重。前7年，刘歆获王莽推荐，出任侍中，晋升光禄大夫，并承继父亲刘向的事业，教授五经，并继承父亲编成宫中藏书目录《七略》，上奏朝廷。前6年，刘歆争取请求朝廷设立《左传》、《毛诗》、《逸礼》及《古文尚书》的学官，撰文批评太常博士抱残守缺，写成〈移让太常博士书〉，开罪了当时的执政大臣与儒生，受到儒生的反击指摘，自请离开京师，出任河内太守。同年，为避汉哀帝讳，改名刘秀。前1年，王莽执政，刘歆获召回京师，出任右曹太中大夫，进升为中垒校尉。公元1年，刘歆出任羲和官，公元5年封侯。