父劉廷珍，以戰功官左驍衛大將軍、東陽郡王。劉沔最早是許州牙將，少事李光顏為帳中親將。元和末，光顏討吳元濟，常用劉沔為前鋒。後隨振武節度使范希朝回朝，授勳神策軍將軍。授振武節度使。

會昌二年（842年）三月，代苻澈為河東節度使（今山西太原西南）。會昌三年（843年），回鶻大饑荒，烏介可汗入寇雲朔（今山西北部及內蒙古境），劉沔與幽州節度使張仲武招撫，時兩人不協。劉沔與天德行營副司石雄在殺胡山擊敗烏介，烏介可汗夜遁，迎得太和公主至雲州，回鶻從此衰敗。

會昌三年（843年），昭義軍節度使劉稹叛唐，劉沔領兵與之惡戰，史稱昂車關之戰。但因劉沔和張仲武有隙，武宗擔心誤事，于會昌四年（844年）二月二十五日調劉沔以義成節度使鎮河陽。劉沔帶走了河東所有的財物，致使河東府庫一空，間接造成了後來的楊弁兵變。會昌五年（845年）李德裕出鎮，罷為太子太保，十二月石雄代任。會昌六年（846年）卒。柳公權書《劉沔碑》。

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