1908年10月生于山东莒南。1931年5月参加中国工农红军,历任红色第二医院文书,红四军后方医院秘书、俱乐部主任。同年9月加入中国共产主义青年团,12月转为中国共产党党员。1932年8月起任中华苏维埃共和国中央革命军事委员会后方办事处政治部文印科科长。1934年1月起任红军医院政治部巡视员。1934年10月起任中华苏维埃共和国中央革命军事委员会总卫生部总务处处长,1935年9月起任总卫生部政治部组织科科长。参加了长征。1936年12月入红军大学第二期学习。抗日战争时期,1937年任八路军卫生部政治处副主任、主任。1938年5月任八路军第115师工兵营政治委员。1939年1月任115师教导大队政治委员。1940年1月任115师政治部民运部副部长。1940年6月起任115师教导第5旅政治部主任、新四军独立旅代政治委员。1943年4月至1945年8月任山东滨海区党委委员、滨海军区政治部主任,其间:1943年11月至1944年10月任滨海军区代政治委员,率部为滨海根据地的巩固和发展作出了贡献。1945年8月,任山东军区第2师政治委员。 解放战争时期,1946年1月起任东北民主联军第2师政治委员,东满军区直辖第22旅政治委员,吉辽军区第22旅政治委员。1947年10月起任上干大队政治委员。1948年起任东北野战军第五纵队政治委员。1949年春起任中国人民解放军第42军政治委员。 中华人民共和国成立后,历任中南军区秘书长、干部部副部长。抗美援朝时期任中国人民志愿军第38军政委。1951年9月后,任中南军区干部部部长、广州军区副政治委员、第二政治委员,兼任广州军区政治部主任,中共中央华南分局常委、中共广东省委常委、中共中央中南局委员,中共中央军委委员,广东省革委会主任、中共广东省委第一书记等职。1972年3月后,任成都军区第一政治委员、中共四川省委第一书记、成都军区司令员、解放军军政大学政治委员、军事学院政治委员等职。1978年11月被免去解放军军事学院政治委员职务。1984年8月被撤销军事学院政治委员职务,按副大军区职待遇离休。是第三届国防委员会委员。1955年9月,刘兴元被授予中将军衔,荣获二级八一勋章、一级独立自由勋章、一级解放勋章。1988年获一级红星功勋荣誉章。