1904年3月15日刘思职出生于福建省仙游市一书香门第。父亲曾当过学堂教师和清朝吏部小吏。刘思职自幼聪颖勤奋，学习成绩总是名列前茅。在家乡读完中学后，17岁即考入厦门大学化学系。
1919～1921年在福州甲种工业学校学习并毕业。
1919～1921年 在福州甲种工业学校学习并毕业。
1921～1924年 在厦门大学化学系学习。
1924～1925年 在上海大夏大学化学系学习并毕业，获学士学位。
1925～1926年 在美国西南大学理学院学习，获理学士学位。
1926～1929年 在美国堪萨斯大学研修物理化学，获哲学博士学位。
1925年，得岳父相助，刘思职自费出国留学，入美国西南大学化学系，1926年毕业获理学士学位。同年，入堪萨斯大学学习物理化学，攻读博士，同时兼任该系助教，以其收入维持学习和生活费用。1929年以优异成绩通过博士论文答辩，取得博士学位。
1928年，成为美国科学荣誉学会（Sigma Xi Honorary Society）荣誉会员。回国后，受聘在上海大夏大学任教授。翌年应聘到北京协和医学院任讲师、襄教授。
1928～1942年间他长期与吴宪合作。1942年因太平洋战争爆发，日军占领北京协和医学院而离开该院。
1929年，刘思职在学成后立即回国。1929—1930年在上海大夏大学任教。1930—1942年应聘到北平协和医学院任助教，后提升为讲师、副教授。在此期间，曾先后赴德国威廉凯撒研究院细胞生理研究所及英国剑桥大学摩丁诺研究所进修。
1929～1930年 任上海大夏大学教授。
1934年8月～1935年6月曾到德国威廉凯撒皇家研究院细胞生理系，在著名生物化学家O.H.瓦尔堡（Otto Heinrich Warburg）的实验室进修。
1935年6月～8月 到英国剑桥大学进修。
1935～1942年 任北京协和医学院襄教授。
1941年太平洋战争爆发后，协和医学院停办。1942年执教于北京大学医学院及其后的北京医学院，任教授及生物化学教研室主任。 刘思职在协和医学院任教期间，大部分时间是作为中国卓越的生物化学家吴宪教授的助手，在吴宪实验室从事生物化学和免疫化学教学与研究工作。他在吴宪教授直接指导下，进行蛋白质变性的实验研究。
生物化学是20世纪的一门新兴学科。刘思职在协和任教之初，学校使用的教材全部都是英文本。他们深感要推动生物化学在中国的发展，必应使用中国的文字表达生化名词和教材。吴宪教授曾尝试用中文写出生物化学实验讲义，遭到协和医学院外籍女教务长的反对。在抗日战争胜利后，刘思职曾组织部分生物化学学者着手编纂中文生物化学名词，但遭到当时协和医学院生物化学系主任、原燕京大学外籍教授W?H?阿道夫(Adolph)的反对，他借口脱离协和医学院的中心工作而加以否定。直到中华人民***和国成立后，他才有可能和几位同道一起，于1950年初开始编译生物化学有关名词，完成了一部比较系统的《生物化学名词草案》。该草案不久为全国所采用，统一了全国的生物化学名词，并给以后的生物化学教科书的编写出版创造了良好的条件。
1942年以后在北京大学医学院及其后身北京医学院任教授。
1942～1945年又任北京大学理学院教授，1945～1946年任北平临时大学药学系教授。
1946～1951年兼任辅仁大学教授。1949～1950年为天津河北医学院兼任教授，1950年为哈尔滨医科大学兼任教授及中国科学院专门委员。北京医学院成立后在该院任教授及生物化学教研室主任。
1956年受聘为中国科学院生物学部委员、中国医学科学院兼任研究员。当时中国一边倒地学习苏联，苏联的科研体制是以科学院和研究机构为主，高等学校的科研力量不受重视，财政上得到的支持也很少。刘思职对该项政策一直抱有异议，认为发展科学应以高等学校为主体，因为高等学校集中了大批的优秀科研人才，是培养科学家的摇篮。为此，他婉言谢绝了生理学家冯德培教授建议他组建中国科学院生物化学研究所的邀请，留在北京医学院从事教学和科研工作。其后虽受聘兼任中国医学科学院兼职教授，但始终以高等学校作为他一生主要的科学研究基地。他还曾任中国生理科学会理事长，《中国生理学杂志》主编。为了振兴中国生物化学，1950 年代初，他曾与另一位生物化学教授一起，向当时的中国科学院院长郭沫若建议动员旅居美国的吴宪教授回国，因为刘思职深深了解他的导师吴宪爱国的赤子之心，但这建议遭到否定。理由是吴宪已入美国国籍，已“背叛了祖国”。事实上，吴宪直至1959年去世时仍然保留中国国籍。刘思职早年留学欧美，但把他许多主要的科研著作都发表在国内的生理杂志上，支持了1930年代国内刊物的成长。
1949年，他拒绝当局动员他撤退送来的飞机票，毅然留在北平。1956年，他经体检后，确信自己的健康情况良好，就与某公相约，此身愿死实验室，决不悠闲当“寓公”。他的一生确实实现了他的诺言，即使在1957年被打成右派，免去教研室主任职务降为二级教授那艰难坎坷的岁月里，他也从没有停止过学术研究。他一进实验室，一翻开文献书籍，就把不愉快的事置诸脑后，孜孜研究学问。中***十一届三中全会后，他精神振奋，不顾体弱多病，手足偏瘫，仍扶杖上班，勇敢地挑起了重建科研的重任。
1954年他主编了《生物化学大纲》，这是中国第一部自编的中文生物化学教科书，全书70万字，内容丰富，取材新颖，条理分明，逻辑性强。该书一改过去科技教科书完全照搬外国教材的惯例，具有中国自己的特色。尤其是在绪论中介绍了中国古代在酿酒发酵、营养及脏器治疗等方面的成就；颂扬了中国著名生物化学家吴宪在临床化学、蛋白质化学，特别是蛋白质变性学说及免疫化学方面的卓越贡献。在营养学等章节中，结合中国的国情，修正了中国成人蛋白质等营养成分的需要量；按照中国的膳食习惯，列出中国人民日常食用的几种混合蛋白质的生理价值。
1955年，当蛋白质的生物合成还处在一个神秘阶段的时候，他在其主编的《蛋白质的生物化学》一书的“编者的话”中就指出：“生物化学家当以蛋白质的人工合成作为今后努力的方向。
1956年受聘为中国科学院生物学部委员、中国医学科学院兼任研究员。
1964年修订重版时书名改为《生物化学》。经卫生部推荐，作为高等医药院校试用教科书，一直沿用到1978年，为培养中国生化科技人才做出了重要贡献。20世纪50年代初，他还曾编写了《生物化学讲义》。该书简明扼要，深入浅出，文笔流畅，深受医药卫生界欢迎，为新中国成立初期普及生物化学基础知识起了重要作用。
1978年他恢复领导职务，与张昌颖同任北京医学院生物化学教研室主任
1983年8月18日终因久病医治无效逝世于北京。