劉定之生于明成祖永樂七年（1409年），自幼聰明異常，父親教他讀書，每日背誦數千言。父親見他好學，遂令其博覽群書，但禁止其寫文章。定之每每私下里嘗試作文。一日，劉定之患病，父親探視時發現了他寫的《祀灶文》和《詠桃漿》詩，驚嘆道：“子有八面受敵之才”將來必為偉器。”果然，宣德十年（1435年）劉定之考中舉人，正統元年（1436年），會試第一，殿試又奪得探花，一時名揚天下。被授任翰林編修。

正統四年（1439年），京城發大水，全城被淹。劉定之應詔陳述十條建議，均不被朝廷采納。

正統十三年（1448年），弟弟劉寅之與鄉人發生沖突，牽連到劉定之，竟被逮捕入獄，最后終于真相大白。劉定之編修任滿，升侍講。

代宗即位（1450年），劉定之又上言十事，論及戰陣、守備、練兵、選將至官吏的銓選、遷降、考察、賞罰，所言皆治國安邦的大計，受到皇帝的褒獎。

景帝三年（1452年），升司經局洗馬，也先當時請求代宗派使者回報，劉定之援引舊例請求同意，但代宗不愿接回被俘的英宗，此事便沒有立即獲準。后又升為右春坊右庶子。

天順改元（1457年），任通政司左參議仍兼翰林侍講，不久又升翰林學士。

天順八年（1464年），明憲宗即位，任太常少卿兼侍讀學士，直徑筵。

成化二年（1466年）十二月，以本官入直文淵閣參與朝政。

成化三年（1467年）八月，進工部侍郎兼翰林學士。當時江西、湖廣兩地發生旱災，但地方官員仍然照收百姓的賦稅。劉定之上疏憲宗說：“現在國家糧庫充足，儲備厚實，而江西、湖廣等地百姓因災無收，張口待哺，還要照樣交納租賦，這不是皇上憐愛百姓的本意，請皇上體恤下情。”憲宗被他的言辭所感動，立刻下旨停征課稅。

成化四年（1468年），劉定之時任禮部左侍郎，仍兼翰林學士。當時萬貴妃專寵，皇后很少能夠見到憲宗，太子又為確立，代宗的女兒已十五歲（及笄）卻還未下嫁。劉定之趁著久旱之時，一同上疏談及這些事。并請求經筵時一并講說太祖朱元璋親作的書，趕除異端邪教，不要讓其害政耗財。憲宗將其奏疏留中不下。

同年六月，錢太后（孝莊錢皇后）去世，周太后（孝肅周皇后）不愿錢太后與英宗合葬。憲宗命太監夏時與懷恩召集輔臣，商議錢太后的喪葬事宜。閣臣彭時首先反對。次日，憲宗再召彭時、劉定之等重議此事，彭時仍堅持前議。憲宗說：“朕難道不知道你說的這些嗎？朕只是擔心錢太后一旦入葬，就會使母后（周太后）難與先帝合葬。”劉定之回答：“孝順之道貴在守大義，而不是守長輩一時之命！”彭時及內閣重臣商輅也先后勸說憲宗。憲宗說：“連母親的命令都不聽了，還能算孝順兒子嗎？”彭時向憲宗建議：“可以將錢太后葬于先帝之左，虛右位以待周太后將來。”

劉定之與彭時、商輅之后又聯名上疏說：“太后作配先帝，正位中宮，陛下尊她為太后，下詔宣示天下。先帝全夫婦之倫，陛下盡母子之愛，都得大義。現在太后梓宮應當合葬裕陵，她的神主應當附祭太廟，這是無可更改之禮。近來聽說要另擇地埋葬太后，臣等實是心懷疑懼。我們私下以為陛下之所以遲疑，是因為考慮到當今皇太后萬壽之后，應當與先帝同尊，因此擔心二后并配先帝，不合祖宗之制。但考之古代，漢文帝尊生母薄太后，而呂后仍附祭長陵。宋仁宗追尊生母李宸妃，而劉后仍附祭太廟。現在如果陵廟之制稍有不合適，則會有背前人之美，受后人譏笑。”吏部尚書李秉、禮部尚書姚夔等九十九位廷臣也同意錢太后與英宗合葬。憲宗仍擔心違背周太后的意志，此后更發出為錢太后另擇葬地的諭旨。姚夔等兩百余名朝臣一起伏在文華門哭請，憲宗下令群臣止哭退去，群臣叩頭拒命，聲言：“不得錢太后合葬旨意，絕不敢退下。”自巳時（上午九點至十一點）跪至申時（下午三點至五點）。憲宗與周太后無可奈何，這才聽從了劉定之等人的建議。

不久后，劉定之患病，多次上疏請求致仕，憲宗下詔挽留，并派太醫為他看病、宦官前往賞賜。

成化五年（1469年）八月十日（9月15日），劉定之于任上病逝，終年六十一歲。追贈資善大夫、禮部尚書，謚號“文安”。