刘娥生于公元968年，刘娥的祖籍在山西太原，刘娥父亲刘通担任乐山刺史时，全家搬迁至成都华阳。刘娥出生之前，母亲庞氏在梦中梦见了月亮，随后便给女儿取名为刘娥。刘娥还在襁褓中，父亲刘通战死在沙场。刘通死后，庞氏带着刘娥回到了娘家。
刘娥年龄稍长时，学会了击鼗，并将击鼗作为谋生手段。刘娥长到14岁时，家人便把刘娥嫁给了名叫龚美的银匠。刘娥嫁去之前，龚美已经娶有一位妻子。刘娥因年轻貌美，深得龚美妻子的嫉妒，随后龚美便带着刘娥来到京城谋生。到开封后，龚美凭借精湛的手艺，在当地小有名气。加上，龚美喜欢结交朋友，和襄王府中官吏张耆是很好的朋友。
刘娥善于击鼗，又因才貌双全，当地很多人都知道刘娥的名字。襄王赵恒此时还未娶妻，听说蜀地的女子大多美艳动人，便让家仆们为他留意一下。赵恒的侍卫们都知道蜀女刘娥亭亭玉立，便前去打听龚美的意思。
龚美一听说襄王选夫人，便声称自己和刘娥是表兄妹，让刘娥进入襄王府。《宋史》中提到，赵恒于刘娥第一次见面时，刘娥年方15。俩人年龄相当，加上刘娥会音律，懂诗词，长相貌美，赵恒对刘娥一见钟情。但是赵恒的母亲秦国夫人因刘娥出生贫贱，不同意俩人成婚。秦国夫人为了阻止赵恒和刘娥，便让宋太宗将刘娥驱逐出京城。赵恒不忍心让刘娥离开，便将刘娥藏在张耆家中，俩人地下恋情一直持续了15年。
公元1012年，宋真宗赵恒封刘娥为皇后，此时刘娥44岁。刘娥成为皇后之后，更加以恭谨严明行事作风来要求自己。刘娥历经数十年的学习和准备，如今的刘娥通晓文理，熟知政事。宋真宗批阅奏章时，刘娥也在一旁说出自己的见解，宋真宗听完刘娥的见解后，对她更是赞不绝口。
宋真宗外出巡查时，也要带刘娥在身边。公元1020年，宋真宗得了重病，处理政事非常吃力。期间，几乎所有的奏章都是由刘娥批奏。随后，宋真宗病的越发严重，便让太子赵祯旁听政事，让皇后刘娥辅助参与政事。大臣们都以太子不是皇后亲生为由，反对皇后干预政事。但是，太子感念刘娥抚养之恩，俩人关系如同亲生母子，太子根本不顾大臣非议，继续让刘娥参政。公元1022年，宋真宗因病去世，太子登基成为宋仁宗。此时，宋仁宗时年11岁，朝政大权由刘娥把持，刘娥由此开启了垂帘听政的生涯。
期间，刘娥帮助宋仁宗除掉了奸臣丁谓，巩固了宋朝政权。除此之外，刘娥实行奖惩分明制度，对待犯错的官员们，刘娥一律给予严惩。刘娥善于发现人才和任用人才，她曾提拔过王曾、张知白等人，为北宋朝廷输送了一批人才。在生活上，刘娥主张俭朴的生活，宋真宗在世时，刘娥贵为皇后，但是她不爱华服，穿着朴素节俭，深得百姓称赞。1033年，宋仁宗时年24岁，刘娥得知宋仁宗已有处理国事的能力，便将政权彻底地还给了宋仁宗。
刘娥十五岁时，和襄王赵恒相爱。因身份低贱被秦国夫人拆散，宋太宗并将刘娥赶出开封。赵恒不愿意让刘娥离开，便将刘娥安排在张耆家，俩人一直在暗中幽会。公元997年赵恒登基为宋真宗，之后便将刘娥接入宫中。公元1004年，宋真宗封任刘娥为四品美人。
公元1008年，郭皇后去世，宋真宗一心想立刘娥为皇后，因刘娥未生下皇子遭到了群臣反对。刘娥和宋真宗非常恩爱，但是刘娥却没有怀孕。一天，刘娥侍女李氏做了一个梦，她梦见一位仙人投胎变成了一个人。宋真宗和刘娥听到这个梦境后，非常高兴，便想出“借腹生子”的办法。公元1010年，李氏生下一名男婴，即为宋仁宗赵祯。男婴出生前，宋真宗便对文武百官宣布刘娥怀孕一事，并封刘娥为修仪。男婴出生后，便认刘娥为生母，此时的刘娥已经40多岁了，她没有丰沛精力来照顾赵祯，便让和她交好的杨婕妤代为哺育。
后来，宋真宗便以刘娥诞下皇子赵祯为由封刘娥为皇后。其实，文武百官都知道皇子赵祯并非刘娥所生，但是宋真宗一心想要拥立刘娥为皇后，他们无法多做争辩。事实上，刘娥并未杀害赵祯生母李氏，相反她让真宗封李氏为崇阳县君。但是，李氏一生都没有与亲生儿子相认。
后来，这个故事在民间演变成为“狸猫换太子”。后来，多个电视剧都有涉及这一情节，比如《少年包青天》、《狸猫换太子》等电视剧，都讲述了包拯为宋仁宗寻找亲生母亲的故事。