1895年随“黑旗将军”刘永福参与了甲午战后保卫台湾的台南之战，在与日军的交战中腿部受伤，返回后方。

光绪二十五年(1899年)进入湖北枪炮厂（汉阳兵工厂）担任技工。

1901年被保送日本东京成城学校学习。后入冈山第六高等学校，与吴玉章、郭敬宇同班。

1905年在日本加入中国同盟会。同年考入日本东京帝国大学， 攻机械与枪炮製作，毕业后复回汉阳兵工厂。

1909年，受孙中山指派往柏林考察，併到克虏伯兵工厂学习兵器製作。

1912年，孙中山就任中华民国临时大总统后，刘庆恩受孙中山委任，出任汉阳兵工厂第一任总办(厂长) 。

1914年，刘试製成功五弹连发自动步枪和第一尊远程大炮。

1915年，授少将衔，同年晋升中将。

1917年兼任钢药厂总办、工务处处长。于北京督军团会议时， 结识阎锡山。 阎参观国产武器试射比赛， 见汉阳兵工厂所造枪炮十分精密， 邀请刘对山西修械所给于指导。 两人偕返太原， 陪同参观修械所工作。

刘取出随身量具， 仔细考察， 指出缺点。阎锡山十分讚佩， 要求派学生前往汉阳兵工艺工学校学习。

刘庆恩据说个性高傲， 常常下工厂自己动手研究， 管理甚严。 连汉阳兵工厂的主管都很怕他。1917年他与余庆鳌、邓定浩等人，研製成功白朗宁1917式机枪， 后于1921年10月10日开始量产， 称之为“三十节重机枪”。

1918年，刘庆恩决定自行开发火炮，因北洋政府无款可拨，他将个人储蓄倾囊投入，并向亲友借贷。试炮时火力、精确度均高，时人称之为“庆恩炮”，但终未投产。刘庆恩以他的卓越贡献， 奠定了中国近现代兵工学先驱的历史地位。被国民政府授勋五位，并获二等文虎勋章和二等嘉禾勋章。

1920年该校迁往南京，成为中国第一所兵工专科学校。同年8月27日，刘在陆军部开会时，受军阀曹锟，吴佩孚等人的排挤，因争辩激烈，导致脑溢血半身不遂而称病辞去职务，乃作一绝自叹：“病床难忘救国志，十年沉疴愿未酬。老天使我身复健，轰净国贼始方休。”

刘于1912～1920年任汉阳兵工厂总办期间，在厂内开设兵工学校，分预科、本科，培养兵器技士，8名首届本科4年制兵工学员是中国最早的兵器製造业骨干。

1929年4月卒于上海，享年六十岁。吴玉章为其治丧，葬于上海江湾。

1913年11月15日，他上书陆军总长函：庆恩自承乏鄂厂以来， 无日不绞脑血而思求至当之法。 现厂中规模已粗具端倪， 惟经费一节则毫无的款。 月仅由鄂量为拨给， 俾散放薪工及杂用而已。 此外与各洋行所订物料价款， 积欠五十余万。 庆恩此次来京， 专为扩充厂务及请指定常年经费， 并各洋行五十余万欠款起见。 此中情形， 非面竭直陈， 不克道其一二。 今旅居旬余， 尚未望见颜色。 日复一日， 如坐针毡。 转瞬年关逼人， 实难回鄂。 自愧学识不足， 又长此虚糜光阴， 诚恐有负我总长之委任。 窃思庆恩留学德日十年有余， 于炮工大学独未竟其业， 今年已四十， 若不趁此续学， 则老之将至， 徒唤奈何。 我总长夙具培植人才之苦心， 是以呈请派赴续学二， 三年， 庶几为山九仞， 不至功虚一篑。