至正二十年，公元1360年，朱元璋攻下金华，平定了括苍，他闻知刘基及宋濂等人的名声，当下以钱财招聘他们。
刘伯温要的是尊重，而不是金钱，所以，他没有答应。
朱元璋命总制孙炎写了两次信邀请刘伯温，刘伯温感受到了朱元璋的诚心，这才决定出山。
他到了应天，陈时务十八策。
朱元璋看了大喜，马上命人建造礼贤馆让刘伯温等人居住，对他们宠爱备至。
这时的朱元璋对韩林儿非常尊奉，尊他未帝。每年年初中书省设御座行礼时，唯独刘伯温不拜，并说：;韩林儿只是一个牧童罢了，尊奉他干什么？
他没有拜韩林儿的御座，转而去拜见朱元璋，陈天命之所在。
这是他的聪明之处，因为，他抓住了朱元璋要自己当皇帝的心理。
朱元璋向他询问征取之计，刘基说道：;张士诚只顾保全自己，不值得担心。陈友谅则劫主胁下，名号不正，又地处上游，其心无日忘我，应当先谋取陈友谅。陈氏灭亡，张氏便势孤力弱，一举即可平定。然后北向中原，王业可成。
朱元璋分析陈友谅和张士诚的时候，是通过人性来分析，而刘伯温则通过形势，可谓殊途同归，英雄所见略同。
朱元璋非常高兴地说：;先生有什么好的计谋，尽管说出来吧。
这时的陈友谅正攻陷太平，谋求东下，势力发展极快。
朱元璋手下有人建议投降，有的建议逃往钟山，只有刘基瞪着双眼不说话。
朱元璋便将刘伯温召入内室，刘伯温愤然说道：;主张投降或逃走的，应该斩首。
朱元璋便问：;先生有什么计策？
刘伯温回答：;陈贼已骄，我们可以待其深入，伏兵拦击，将其打败，这很容易啊。天道后举者胜，取威制敌以成王业，就在此举了。
朱元璋当下采用了他的计策，引诱陈友谅军到来，然后大败之。
朱元璋以克敌之功赏赐刘伯温，刘伯温推辞不受。
不久，陈友谅军复陷安庆，朱元璋打算亲自率军征讨，以此询问刘伯温。
刘伯温极力赞成。
于是，朱元璋率军进攻安庆。
从早晨到暮色降临，仍未攻下。
刘伯温请求直趋江州，直捣陈友谅的巢穴。
朱元璋当下全军西上。
陈友谅始料不及，只得带领妻子儿女逃往武昌，江州遂降。
其龙兴守将胡美派他的儿子前来表示投降的诚意，请求朱元璋不要解散他的部队，朱元璋面有难色，刘伯温从背后踢胡床暗示，朱元璋顿时醒悟，应允了胡美的要求。
胡美遂降，江西诸郡全被攻下。
刘伯温正值丧母期间，他考虑到战事紧张，没有和朱元璋说。
这时，战事缓和，他才请求还乡为母亲举行奠礼。
刘伯温回乡后，恰好逢苗军反叛，杀金华、处州守将胡大海、耿再成等，浙东形势动摇。
刘伯温立即赶到衢州，首先为守将夏毅安抚诸属城，再与平章邵荣等谋划恢复处州，这才平定叛乱。
方国珍一向害怕刘伯温，听闻由他指挥后，便致信刘伯温，对其母去世表示悼唁。
刘伯温给方国珍回信，向他表明朱元璋的威德。
方国珍见了，向朱元璋进贡。
朱元璋多次写信到刘伯温家询问军国大事，刘伯温都逐条地详细作答，均能切中要害。
不久，刘伯温返京，朱元璋正要亲自率军支援安丰。
刘伯温劝说道：;汉、吴都在伺机进攻，我们现在不可轻举妄动。
朱元璋不听劝告。
陈友谅知道这个情况后，乘机率军围攻洪都。
朱元璋这才对刘伯温说道：;我没听你的意见，险些误失大计。然后，亲自带兵援救洪都，与陈友谅大战于鄱阳湖，一天交战数十次。
朱元璋坐在胡床上督战，刘基随侍身旁，忽然跃起大呼，催促朱元璋赶快转移到别的船上去。
朱元璋仓促转移到另一小船上，他还未坐定，飞炮便将他原来所乘御船击得粉碎。
站在高处的陈友谅见御船被毁，大喜。
而朱元璋所乘之船，只进不退，汉军都大惊失色。
双方在湖中战斗，相持了三日，未决胜负。
刘伯温请求移军湖口以扼住汉军出口，在金木相克的这一天与陈友谅军决战。结果，陈友谅战败，在逃跑途中毙命。
其后朱元璋打败张士诚，北伐中原，终于完成帝业，其战略正像刘伯温筹划的那样。
此后，刘伯温参与了灭元方略，并得以实现。
他共参与军机八年，筹划全局，为朱元璋建立大明，立下不世之功。
公元1367年，朱元璋以刘伯温为太史令，刘伯温呈上《戊申大统历