就读于黄埔军校第四期步兵科，毕业后参加北伐战争。
1930年率部参加中原大战，参与讨冯之役。
1933年率部参加古北口战役。
至此时，他已经由国民革命军排长累升至副团长。
他的军旅生涯共负伤五次，其中第二次受伤在中原大战时，伤愈后，头发脱落，从此获得“刘光头”的绰号。
抗日战争全面爆发后，刘玉章担任第二师上校团长，隶属新组建的第52军,关麟征为军长。
52军在参加台儿庄战役时,刘玉章奋勇作战,又两度负伤,先被炮击震倒的墙压伤,撤退时又被日军飞机炸伤。
在台儿庄战役中,他提出了“短距离、短时间、集中火力”的作战战术。
之后又随52军参加过武汉保卫战。
1941年,52军调防云南,刘玉章已任第2师师长。
1947年6月，52军赴东北，刘玉章担任副军长一职。
1948年3月刘玉章升为军长。
辽沈战役进入白热化时，刘玉章受命先占领营口掩护后方，同时葫芦岛、锦西部队亦向锦州攻击。
从沈阳西进的廖耀湘行动迟缓，以高度机械化部队，十余万人每日行程仅20公里。
林彪攻克锦州后，迅速东进将廖耀湘兵团5个军12个美械师包围歼灭。
此时的刘玉章却没有进入援救锦州的西进序列，而是得到了占领出海港口，打通海上的交通的绝好差事。
另外，他的一个师占领鞍山营口一线后严密封锁消息，使辽南解放军居然对这股准备潜逃的大部队毫不知情。
刘玉章认为沈阳已经成死地，自己没有必要陪葬，于是营口备战，据守营口北之石桥子阵地。
林彪击溃廖耀湘兵团，以主力直扑沈阳，同时惊醒营口方向有漏洞。
于是急派七纵邓华、八纵段苏权、刚在锦州活捉了范汉杰的九纵詹才芳及辽南独二师则是在歼灭廖兵团之后星夜兼程南下营口。
沿途张贴标语：“解放五十二军!活抓刘光头!”
段苏权先头一营，全部乘马，既未搜索，亦不疏散，由牛庄向营口前进。
八纵、九纵、长江支队，全力猛扑营口阵地。
这时候，后有大海，前有超过52军三倍的虎狼之师，刘玉章背水为阵，属下也知道再无退路全都杀红了眼，以五个团全面反击。
刚刚打完胜仗的解放军没有料到残敌竟然会摆这样的陷阱溃退了十余里，喘息整备。
刘玉章以攻为守率军追击，后被人成为“胆大包天”。
解放军9纵25师大战国军52军25师，但是因为解放军远袭疲劳，未带重武器等原因，战斗不利，解放军25师师部被攻破，被俘约一千多人。
国军还追击至石桥子，不过，在这里国军五个团被解放军一个加强营堵住，规定时间内未能攻克。
这时国民党海军总司令桂永清亲自率领的海军乘重庆号到达营口外海，但同来的商船只有三艘，刘玉章赶紧率部脱逃。
人多船少，挤得像沙丁鱼罐头。
刘玉章担心混乱，严令有序登船撤退，违者当场格杀勿论。
各级军官以身作则并严密监管，各部队特务营连，分别在码头各轮上船入口处，分两列对面排列，中间仅容一路纵队通过。
52军军部及25师大部居然井井有条的登船撤离，装载2师的运兵船起火，但仍然有五六百人想办法乘机帆船到达葫芦岛。
这次刘玉章的逃逸，虽然无碍整个解放战争的大局，只是未能使辽沈战役指挥艺术上完美无瑕。
据说，因此林彪遭到了毛泽东的批评。
而刘玉章则打肿脸充胖子，自称这是东北版的“敦克尔克大撤退”。
又过了半年，粟裕指挥的三野打到上海，创伤复原的52军又和三野在上海近郊开战，在月浦利用我军2个团的急躁情绪取得了一些战术胜利，被大肆吹嘘为“月浦大捷”。
后来弃掉上海，52军再次坐着军舰逃跑到舟山，然后再到台湾。
虽然说刘玉章在辽沈战场上的表现很像临阵脱逃的表现，而且没有及时支援其他同僚，但是他确实有战略眼光，在不利于大局的时候懂得保存自己。
特别是在解放军两大战神林彪和粟裕手下连续脱逃，逃脱过程之中还取得局部小胜利，这在国军将领中也是没有谁了。
难怪一个军长撤退到台湾后，最后也能成为陆军一级上将。
1960年晋升陆军二级上将，1967年接任“台湾警备司令”至1970年6月。
卸任后受聘“总统府战略顾问”,同时晋升为陆军一级上将。
1981年4月11日病逝于台北。
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