長慶年間，李德裕擔任浙西觀察使，劉三復帶著文章去潤州見李德裕。李德裕看了他的文章，來不及整理衣冠就出門相迎，征闢為從事，管記室。劉三復母親去世，哀痛不自勝。李德裕三次擔任浙西觀察使，共十年，劉三復都跟隨他。太和年間，李德裕入朝輔政，用劉三復為員外郎。不久，罷相，再鎮浙西，劉三復繼續跟隨。汝州刺史劉禹錫以同宗對待劉三復。非常重視他的才能，曾經給他贈詩。劉三復曾經夢見自己上輩子是匹馬，于是看到馬的痛苦，自己感同身受。後來他又跟隨李德裕歷任滑州、西川、揚州，官至御史中丞。會昌年間，李德裕主持朝事，劉三復自諫議大夫、給事中拜刑部侍郎、弘文館學士判館事。會昌四年（844年），故昭義節度使劉從諫的養子也是親侄子劉稹反叛朝廷剛被平定，朝議以為劉從諫遺孀裴氏是裴問之妹，想赦免裴氏。法司則定罪認為裴氏有助亂之舉，在李德裕命令下，劉三復上表指裴氏犒勞擄州作亂軍官的妻女，激勵籠絡叛黨，按罪應該伏法，于是獲准。上表不久，劉三復病亡。著有《劉三複表狀》十卷，其子劉鄴。