漢哀帝死后，王政君收回傳國玉璽，立了九歲的漢平帝為傀儡。王莽出任大司馬，很快昔日的好友劉歆重新被王莽召回，進入權利中央。劉歆先后任中壘校尉、羲和、京兆尹，成為文化界的最高領導人。劉歆大力推動古文經學的弘揚，興建太學，建明堂辟雍，修訂典章制度等。這些工作都是配合王莽推行的改革開展。

劉歆原是以一個年輕而有成就的學者身份出現在歷史舞臺上，原本今古文之爭與政治沒什么關系，但王莽看重了劉歆崇尚古文經對他的篡漢是極其有用的。許多人笑稱，王莽是“穿越者”，認為他的許多舉措都超越了那個時代，實際上，他的改革完全是以《周禮》為基礎進行的一系列“托古改制”。學識淵博，文采斐然的劉歆為感恩圖報，也積極為王莽上臺提供不少理論依據。在王莽的授意下，劉歆創作了許多為其歌功頌德的文章，并將《左傳》《周禮》等典籍中有利于王莽改朝換代、篡漢奪權的內容，提取出來進行宣傳。

為了替王莽上臺制造輿論，劉歆將太初歷改造成《三統歷》。劉歆系統地敘述了太初歷的內容，又補充了很多原來簡略的天文學知識，并仔細分析了上古以來的天文文獻和天文記錄，寫成了《三統歷譜》。它的內容有編制歷法的理論，有節氣、朔望、月食以及五星等的常數和位置的推算方法，還有基本的恒星位置數據。因而，《三統歷譜》被認為是世界上最早的天文年歷的雛形。

在劉歆的幫助下，王莽完成篡漢大業，大封群臣，尊劉歆為國師，掌管新朝禮儀諸事。建立新朝的王莽意氣風發，立志要改天換地，政令一個接著一個。雖然出發點是好的，但新朝人心未穩，沒有大刀闊斧改革的政治基礎。而且這些措施太猛，政令過于頻繁，導致執行非常的差，搞得人心背離，百姓苦不堪言。看著這一切，劉歆或許開始懷念大漢的天下，記起自己劉氏宗親的身份，在他的心靈深處，泛起復雜的感情。于是暗中謀劃將王莽誅殺，計劃敗露后，劉歆自盡而死。

關于劉歆為什么與王莽走向反目成仇，不顧45年的友誼，決定參與政變，眾說紛紜。《漢書》說：劉歆曾得到過《河圖赤伏符》，讖文說，“劉秀發兵捕不到，四夷云集龍斗野，四七之際火為主。”這句讖言暗示新朝即將大亂，最后走向覆滅，劉氏將重新登上帝位，而這個人叫劉秀。為了應驗讖言，劉歆竟改名為劉秀。但實際上劉歆改名是為了避諱皇帝的名字而已，因為劉歆與哀帝劉欣名字同音，哀帝即位時，劉歆就改名為劉秀。所以這顯然是后人的附會，為了拉攏劉歆進入政變陣營的借口而已。

表面上看，劉歆與王莽的決裂，是由于十年的時間里，王莽殺害了他的兩個兒子和一個女兒。劉歆有三個兒子一個女兒，女兒嫁給王莽的三子王臨，做了太子妃。三個兒子都受到厚待，封了侯，尤其是他的次子劉棻，因為才華出眾，備受王莽賞識。然而，劉棻和弟弟劉泳卻莫名其妙地卷入甄豐甄尋父子的謀反案，受牽連處死。劉歆的女兒劉愔，卷入太子王臨的謀反案。劉愔自幼跟父親學習天文歷法，擅長觀天象，王臨作亂前，劉愔以“白衣會”的說法鼓動王臨，結果敗露身亡。二子一女死于王莽之手，劉歆確實有理由怨恨王莽。不管真相如何，非常惋惜，以劉歆家族這么好的基因，劉歆的兒女也會在文化領域建功立業，卻因卷入政治戛然而止。

撇開這些政治上的謎團，劉歆是當之無愧的一代經學大師，他的作品《山海經》《三統歷譜》《七略》等，對后世影響很大。同時他還是天文學家、史學家、數學家。他計算的圓周率為3.15471，是當時精確度最高的，被后世稱為“劉歆率”，是當之無愧的學術大師。