刘孝孙是荆州人，他的祖父曾任过北周石台太守。刘孝孙年方弱冠就以文章知名，和当时有名的诗人虞世南、蔡君和、孔德绍、庾抱、庾自直、刘斌等结成文会，经常在一起登山临水、吟酒赋诗，过着优游自在的日子。
大业末年，天下大乱，好日子再也没有了。每个人都是苟全性命于乱世，其他的事情一概顾不到了。刘孝孙当时在洛阳，王世充任命他为杞王王世辩的行台郎中。李世民取得洛阳后，王世辩走投无路，也来投降。他部下的人都一逃而散，只有刘孝孙抓住囚车大声痛哭，追送到远郊。当时，人们对这种“忠义之举”很佩服，刘孝孙获得一个好名声。
武德年间，刘孝孙任东虞州录事参军。秦王府文学馆十八学士中的薛收于武德七年病故后，李世民把有文才、有气节的刘孝孙召来入馆，仍补齐十八学士之数。
后来，刘孝孙任著作佐郎、吴王友，辅佐吴王李恪。李恪是唐太宗的第三子，母亲是隋炀帝的女儿。李恪有文武才，聪明果断，有其父之风。唐太宗也喜欢这个儿子，贞观十二年，李恪将赴安州任都督，唐太宗给他写下诫条：“吾以君临兆庶，表正万邦。汝地居芪亲，寄惟藩屏，替补队员刘孝孙勉思桥梓之道，善侔间，平之德。以义制事，以礼制心，三风十愆，不可不慎。如此则克固磐石，永保维城。外为君臣之忠，内有父子之孝，宜自励志，以日新。汝方违膝下，恋何已，欲遗汝珍玩，恐益骄奢。故诫此一言，以为庭训。”其殷殷之心，字里行间可见。
后来，太子承乾与魏王李泰争嗣，双双落败。在选定继承人时，唐太宗倾向于吴王李恪，朝中舆论也看好才德双全的李恪，但当时重权在握的大臣长孙无忌和褚遂良执意要立晋王李治。长孙无忌和褚遂良在这儿存了一个私心：李治是长孙皇后所生，是长孙无忌的亲外甥，又软弱无能，便于控制。而李恪文武全才，却是庶出。受点影响。最后，唐太宗在情绪冲动下立了李治。
唐太宗立李治为太子后，又后悔了，要改立李恪，结果又被长孙无忌所劝阻。长孙无忌对李恪也怀恨在心，终于在李治即位后动手收拾李恪。当时房遗爱与高阳公主谋反，长孙无忌硬说李恪也有份儿，将李恪杀掉，以免众人再想拥立李恪。天下人都知道这是一大冤案，因而长孙无忌也失去了人心，最后在与武后较量时一败涂地，客死他乡。
刘孝孙辅佐李恪时间较长，贞观十五年还升为本府咨议参军。随后又升为太子洗马，尚未到任就病逝了。
刘孝孙还为李恪采选历代文集，撰写《古今类序诗苑》四十卷。