赴美国留学，先后就读于罗格斯大学、芝加哥大学。他曾师从着名统计学家王永雄，1991年获博士学位。此后先后担任哈佛大学与斯坦福大学助理教授。2000年起任哈佛大学统计学系教授，并兼任生物统计学系教授。此外，他还担任北京大学长江学者讲座教授。刘军是国际数理统计学会会士（2004年）、美国统计学会会士（2005年），曾获得过统计学界最高奖“考普斯会长奖”（2002年）以及华人数学最高奖“晨兴数学金奖”（2010年）。