刘冠雄出生于一个家境贫寒的家庭，他的父亲是一名箍桶匠，全家人仅依靠父亲微薄的收入艰难维持生计。刘冠雄的父亲共有五个儿子，除了第四个儿子早年不幸夭折之外，其余四个儿子后来都投身海军，并在其中担任职务。当儿子们事业有成、名声渐起之后，刘冠雄的父亲得以在家中安享晚年，生活上衣食无忧，然而他却始终舍不得丢弃那副跟随自己多年的箍桶担子，一直将其精心保存。这副看似普通的担子，在家庭生活中还曾发挥过特殊的作用：每当儿子们之间产生矛盾、争执不下且劝说无效时，这位父亲便会挑起担子，佯装要上街重操旧业，以此方式来警示和敦促儿子们和解，从而平息他们之间的纷争。在兄弟之中，刘冠雄排行最小，但日后却成为了官职最高的一位。少年时期，他与当时许多福州子弟一样，选择报考并成功进入了位于马尾的福州船政学堂。这所学堂在结构上分为前学堂与后学堂两部分，前学堂主要专注于培养船舶制造方面的专业人才，而后学堂则致力于培育海军指挥军官。后学堂又具体设置了驾驶（即航海）与轮管（即轮机）两个专业方向，刘冠雄便是驾驶专业第四期的学生。在福州船政学堂，他先完成了为期三年半的课堂理论学习，又经历了近两年的海上实践实习，最终以优异的成绩顺利毕业。毕业后，刘冠雄被派遣至北洋海军服役，从此开始了他的军旅生涯，成为一名海军见习军官。
一八七七年，清政府首次派遣了三十名海军留学生前往英国与法国深造；时隔五年后，又遴选了第二期共十名学员赴英法两国继续学习海军技术。一八八四年至一八八五年间爆发的中法战争，使清廷更加深刻地意识到强化海军建设的紧迫性与极端重要性。因此，战事甫一结束，清政府便确立了“大治水师”的战略方针。至一八八五年末，朝廷决定再度选派第三期海军留学生前往英法学习。本次共选拔三十三人，包括驾驶专业十七人、轮管专业两人以及制造专业十四人。其中驾驶专业的学员均从福州船政学堂与天津水师学堂驾驶班的优秀毕业生中挑选而出，刘冠雄凭借其出色资质得以入选。一八八六年四月六日，刘冠雄与其余三十二名留学生一同自香港乘船出发，前往法国。他们所搭乘的是一艘法国邮轮，历经近一个月的海上航行，最终于五月五日抵达法国马赛港。十四名攻读制造专业的学生留在法国进修，而刘冠雄等十七名驾驶专业学生及两名轮管专业学生则转赴英国继续学业。抵达英国后，这十九名留学生根据培养计划被分配至不同科目进行学习。刘冠雄等八人被指派“学习操放大炮、枪队阵图、大副职掌等技艺，并兼习驾驶铁甲兵船”。同年十月，刘冠雄与黄鸣球、邱志范三人被派往英国军舰“额格士塞兰德”号上专修炮术。翌年六月，他们又转入武力士炮厂，深入学习枪炮制造及火药配制等工艺。一八八七年，清政府决定派遣人员赴英国与德国接收此前订购的四艘新式巡洋舰，即“致远”、“靖远”、“经远”与“来远”。为节约高达数十万两的经费，此次接舰任务未另行购买保险，因而航行途中的安全保障显得至关重要。北洋海军为此抽调了最精锐的官兵参与此次远航接舰行动。每艘军舰配置管驾官一人、大副一人及留学生两人。四舰的管驾官分别由邓世昌、叶祖圭、林永升与邱宝仁担任，其中除邓世昌外，其余三人均曾留学英国。当时仍在英国深造的刘冠雄，亦被特召参与接舰工作。他是十七名在学驾驶留学生中唯一获此任务者，这得益于他在留学前便已是一名经验丰富、表现卓越的海军军官。刘冠雄被分配至“靖远”号巡洋舰担任大副一职，而负责统筹此次接舰行动的北洋海军总查、英籍顾问琅威理也驻于该舰。在英国抱士穆德海口所拍摄的“靖远”舰接舰官兵的职责划分，完全参照英国海军的相关章程执行。根据分工，管驾官负责“总理全船事宜”；大副则主管“船内事宜”，其职责涵盖“凡舟之行止，人之功过皆主之”。由此可见，刘冠雄在此次任务中承担的责任极为重大。一八八七年九月，“致远”、“靖远”等四艘巡洋舰连同在英国订造的“左队一号”鱼雷艇，自英国朴茨茅斯港启程归国。历经两个多月的艰辛航行，船队先后穿越了大西洋、地中海、红海与印度洋，最终于当年年底平安返回中国。至此，刘冠雄的留学生涯正式画上句号。
公元一八八八年四月，包括“靖远”在内的四艘巡洋舰以及“左队一号”鱼雷艇顺利抵达天津大沽港，正式编入北洋海军的作战序列。自那时起，刘冠雄便长期在“靖远”舰上服役，先后担任帮统等重要职务。同年八月，台湾吕家望番社发动武装行动，围攻驻守卑南的清军主力营地，当地局势骤然紧张。台湾巡抚刘铭传急向朝廷求援，北洋海军提督丁汝昌接到调令后，即刻率领“靖远”与“致远”两艘巡洋舰全速驶往台湾增援。抵达卑南外海后，刘冠雄与“致远”号帮带大副陈金揆受命率领六十名水兵携带两门六磅舰炮登陆，与岸上清军部队协同作战。在持续十余日的激烈交火与清剿行动后，这场地方叛乱最终被彻底平定。北洋海军正式成军之后，刘冠雄因其资历与能力，被正式任命为“靖远”舰的帮带大副。一八九一年六月，鉴于在平定台湾叛乱过程中的突出表现，经北洋大臣李鸿章专折上奏朝廷，刘冠雄获得提前晋升官阶的嘉奖。“致远”舰与“靖远”舰作为同级姊妹舰，是当时北洋海军舰队中航速最快、机动性最强的巡洋舰，因此两舰时常被派遣承担各类紧急任务。刘冠雄曾多次随舰出航，前往朝鲜、日本、俄国等国家，以及香港与南洋诸多港口，执行海上巡弋、对外交涉、迎送重要外宾、保护海外侨民等多种使命。这些经历极大地拓宽了他的视野，也让他在实际事务中积累了丰富的航海与外交经验。
一八九四年七月，中日甲午战争正式爆发。同年九月十六日，清政府为增援驻守朝鲜的部队，调遣陆军四千人，由北洋海军负责护航，经海路运送至中朝边境的大东沟登陆，随后再经陆路向朝鲜境内进发。为完成此次重要的护航任务，北洋海军几乎出动全部主力舰只，其中包括两艘当时亚洲最大的铁甲舰、十艘巡洋舰、两艘炮舰以及四艘鱼雷艇，组成了一支规模庞大的护航编队。九月十七日清晨，增援朝鲜的陆军部队在大东沟顺利上岸，北洋舰队至此圆满完成了护航使命。上午十时许，正当舰队准备启程返航之际，突然发现了来袭的日本舰队。此时正在大东沟口外约十海里处执行警戒任务的十艘北洋海军战舰立即进入战斗状态，列队迎击敌军。十二时五十分，北洋海军旗舰“定远”号率先发炮，震惊中外的黄海海战由此拉开序幕。这场海战也是世界海战史上首次大规模装甲舰队之间的正面决战。时任海军军官的刘冠雄随舰参与了这场著名的战役。海战过程中，由于北洋海军提督丁汝昌身受重伤，加之旗舰“定远”号的信号装置遭日军炮火严重损毁，整个舰队很快失去统一指挥，阵形被日舰冲散，各舰陷入被分割包围的险境。经过数小时激烈交战，北洋海军的“超勇”、“扬威”、“致远”及“经远”四艘巡洋舰先后沉没，“济远”与“广甲”两舰则受伤后撤离战场。仍在坚持作战的“靖远”等舰只能各自为战，缺乏协同，形势日趋危急。当时在“靖远”舰上协助指挥的刘冠雄见战况恶化，立即向管带叶祖圭提出建议：“定远舰恐已重伤无法指挥，眼下情势万分紧急，应由我舰升起令旗，代为指挥，召集各舰重新集结，否则我军恐有全军覆没之虞。”叶祖圭果断采纳刘冠雄的建议，毅然下令在“靖远”舰上升起指挥旗，承担起统领全队的重任。“靖远”舰随即向四周散落的各舰发出集合信号，在附近海域的“来远”、“平远”、“广远”三艘巡洋舰以及两艘炮舰、四艘鱼雷艇见到信号后，纷纷向“靖远”舰靠拢。各舰在“靖远”舰的指挥下重新整队，继续迎战日军。此时日本舰队经过长时间交战已成强弩之末，见北洋海军声势重振，自觉形势不利，加之天色渐晚，惧怕遭到北洋鱼雷艇的夜间袭击，于是迅速下令全队撤离。“靖远”舰率领集结的各舰追击数里，但因航速不及日舰，最终未能追上，只得返航旅顺。在黄海海战中，“靖远”舰表现极为英勇，舰体先后中弹百余发，船舱多处进水，官兵伤亡数十人，但仍坚持战斗至海战结束，并重创日军“比睿”号巡洋舰，迫使其退出战斗。刘冠雄作为舰上主要的指挥助手，其贡献自然不容忽视。尤其是他在关键时刻建议由“靖远”舰升旗集队，使北洋海军得以扭转危局，此举可谓功绩卓著。黄海海战结束后，刘冠雄又随舰参加了威海卫海战。在此役中，北洋海军最终全军覆没，“靖远”舰亦被日军炮火击沉。甲午战争落幕之后，绝大多数幸存的北洋海军军官皆因战败被追责，遭清政府革职遣返。刘冠雄却颇为幸运，战后不久即被派遣至德国执行接舰任务。战争期间，北洋海军曾向德国伏尔坚厂订购一艘八百五十吨的新型驱逐舰，命名为“飞鹰”号。战争结束数月后，清政府决定派遣刘冠雄等接舰官兵乘德国公司的“拜晏”号轮船从上海出发，历经五十天航行抵达德国。刘冠雄接带“飞鹰”号回国后，即出任该舰管带。当时北洋海军在甲午战争中损失殆尽，整个北洋仅余五艘军舰，其中“飞鹰”舰以八百五十吨的排水量成为最大的一艘。由此亦可看出刘冠雄此时在海军中的地位已日趋重要。在担任“飞鹰”舰管带期间，刘冠雄无意间在历史上留下了一段颇具传奇色彩的记载。一八九八年九月二十一日，慈禧太后发动宫廷政变，囚禁光绪皇帝，康有为等人领导的戊戌变法遭到残酷镇压。政变当日，慈禧太后下令立即封锁北京城及京津铁路，务须逮捕维新领袖康有为。清政府从康有为弟弟处获悉，其已于前一日抵达天津，随即在天津展开大规模搜捕。然而康有为却如同有神助般，早已登上一艘名为“重庆”号的英国轮船，启程前往上海。慈禧太后恼羞成怒，一面电令烟台、上海方面在康有为靠岸时实施抓捕，一面命令天津方面火速派出军舰追赶“重庆”号。为避免节外生枝，慈禧太后更下令一旦抓获康有为，可就地正法。时任“飞鹰”舰管带的刘冠雄奉命率舰出海追赶康有为。“飞鹰”舰航速几乎是“重庆”号的一倍，若开足马力，追上后者可谓易如反掌。然而，“飞鹰”舰追至中途，刘冠雄却下令停止追赶，返航天津。刘冠雄为何下令返航，历来众说纷纭。包括康有为本人在内的许多人认为，“飞鹰”舰是因装煤不足，不得不放弃追赶。另有一种说法称，“飞鹰”舰在追赶途中锅炉发生爆炸，被迫中途折返。但也有人认为，“飞鹰”舰之所以中途返回，实因刘冠雄有意放康有为一马。其理由在于，刘冠雄曾留学英国数年，深受欧洲风气熏陶；加之其后又受严复等曾留学欧洲的海军前辈影响，内心赞同康有为的维新思想，支持变法运动。因此，在危急关头，他选择了暗中施以援手。刘冠雄的前程并未因此次事件受到显著影响。不久后，他的老上司、原“靖远”舰管带叶祖圭被清政府重新起用，出任正在重建的北洋海军统领。刘冠雄深得叶祖圭赏识与信任，在海军中的地位日益显赫。一八九九年，清政府向英国订购的两艘四千三百吨主力巡洋舰“海天”与“海圻”建成来华，刘冠雄被任命为“海天”舰管带。
甲午战争以清政府的惨败告终，这场失利极大地暴露了清王朝的虚弱本质，西方列强趁机加紧了对中国的侵略步伐，迅速掀起了一场意图瓜分中国领土与权益的狂潮。一八九七年，德国率先以武力强占胶州湾；次年三月，俄国紧随其后，强行租借旅顺口；四月，法国亦不甘落后，租占了广州湾（即今广东湛江市）；至七月，英国又迫使清政府同意其租借威海卫（即今山东威海市）。面对列强步步紧逼的态势，清政府已然无力招架，在外交上几乎处于被动妥协、有求必应的境地。 一八九九年三月，远在欧洲的意大利也试图在这场瓜分盛宴中分得一杯羹，向清政府提出了租借中国三门湾的无理要求。为了增强其威胁的“说服力”，意大利政府特意派遣三艘军舰远涉重洋来到中国沿海炫耀武力，并向清政府递交了最后通牒。意大利方面摆出来势汹汹的姿态，清政府一时难以判断其真实实力与意图，内部气氛十分紧张，遂紧急征询海军的专业意见。时任海军军官的刘冠雄向海军统领叶祖圭分析指出：“意大利军舰历经万里远航，人员必然疲惫不堪，后勤补给也定然困难重重，此乃彼劳我逸之势，整体形势实则对我方有利。更何况，我军目前拥有‘海天’、‘海圻’、‘海容’、‘海筹’、‘海琛’这五艘新近购置的先进巡洋舰，无论从吨位还是火力上看，都完全具备与意舰一较高下的实力。” 叶祖圭对刘冠雄这一详尽而透彻的分析深表赞同，随即将其作为海军的正式评估意见上奏清廷。 清廷在获得海军方面这份充满信心的答复后，心中终于有了底气，于是态度转为强硬，断然拒绝了意大利的最后通牒。意大利原本就是虚张声势，见中国方面态度坚决，毫无退缩之意，自知难以得逞，最终只得放弃了租借三门湾的无理要求。一九零零年，声势浩大的义和团运动爆发，随后八国联军大举入侵中国。清廷内部以慈禧太后为首的顽固势力企图利用义和团的力量来实现排外目的，极力主张对外开战。六月二十一日，慈禧太后悍然下令向包括列强在内的十一个国家同时宣战。然而，这一近乎荒诞的命令并未得到所有地方大员的认同，两江总督刘坤一、湖广总督张之洞等封疆大吏公开表示不予承认，并拒绝派兵参战。他们在美、英等国的暗中支持下，与驻上海的各国领事经过磋商，共同订立了“东南互保章程”，明确声明将负责维持辖区内的秩序，继续遵守既有的中外条约，切实保护外国在华人士的生命与财产安全。此后，两广总督李鸿章、山东巡抚袁世凯等实权人物也纷纷宣布加入这一“互保”阵营。与此同时，海军方面对于清廷向列强宣战的命令同样持消极应对的态度。当时，海军主力各舰正于山东登州一带海域进行例行操练巡弋，山东巡抚袁世凯极力劝说并催促海军各舰迅速南下，以避开联军兵锋，避免卷入冲突。于是，在担任“海天”舰管带的刘冠雄与舰队队长林颖启的共同率领下，海军各舰奉命启程前往上海。 舰队抵达上海后，刘冠雄、林颖启以及各舰管带主动走访了各国驻沪领事馆，郑重声明舰队南下的目的是为了协同维持地方稳定，保护中外人士的生命财产安全，希望各国不要因此产生不必要的误会。通过这一系列外交沟通，海军力量也正式被纳入到“东南互保”的框架之内。 此次海军舰队的南下决策与行动，刘冠雄在其中扮演了关键性的倡导与执行角色，其表现引起了清政府内部、列强以及社会各界的高度关注。经此一事，刘冠雄在海军体系内的声望与影响力显著提升，已然成为当时中国海军界一颗备受瞩目的、冉冉升起的新星。
然而，正当刘冠雄仕途顺遂、意气风发之际，一场猝不及防的灾难骤然降临，几乎夺去他的生命。1904年2月，日俄战争正式爆发，日军对沙俄盘踞的旅顺口发动进攻。面对这场在本国领土上展开的外国战争，羸弱的清廷无力干预，只能无奈宣布“中立”。同年4月23日，刘冠雄奉命率领“海天”舰从烟台启航，紧急驶往江阴装载军火，以供应辽西地区维持“中立”状态所需。次日，军舰在航行途中遭遇浓密的海雾。夜幕降临时，雾霭愈发厚重，海面上的能见度变得极低。依照通常的航行规范，在此种气象条件下军舰应当减速慢行。然而，刘冠雄认为此次任务关系紧要，时间紧迫不容延误。他深信凭借自己多年积累的航海经验，完全能够应对此类恶劣天气。因此，他并未下令降低航速，反而指挥军舰保持原速，在浓雾中继续疾驰。 但刘冠雄完全没有料到，此刻他正做出一个足以致命的错误决断。过度自信最终酿成了一场罕见的海上事故，而他亦将为此承受极其沉重的后果。4月25日凌晨，“海天”舰航行至长江口外舟山鼎星岛邻近海域。刘冠雄下令核算航程里数，准备转向驶入吴淞口。恰在此时，忽闻军舰左舷方向传来“极为邻近的鸣角声”。刘冠雄判断附近应有民船，为避免碰撞，他当即下令转舵规避。不料，军舰并未避开民船，却猛然撞上了暗藏的礁石。由于“海天”舰航速过快，根本来不及做出有效反应，整艘舰体便猛然冲上礁群，舰首高高翘起，直指天空，场面惊险。 刘冠雄见军舰触礁，慌忙采取一系列抢救措施，但大势已去，所有努力均告无效。上午9时过后，海上骤然刮起强劲的西北风，汹涌的波涛猛烈冲击着受损的军舰，使舰体与礁石持续摩擦、碰撞，伤情不断恶化，舰尾部分逐渐没入海水之中。直隶总督兼北洋大臣袁世凯接到“海天”舰触礁的报告后，立刻派遣代理北洋海军统领萨镇冰连夜赶赴事故现场，调查事件缘由并组织全力救援。萨镇冰抵达后，迅速展开营救行动。“海天”舰上共有三名水手失踪，其余三百四十八名官兵则全部获救，其中多数由招商局轮船接送上岸，留下六十人由刘冠雄率领，负责看守残舰并拆卸舰上炮械。 与此同时，萨镇冰与驻沪副总税务司裴式楷等人取得联系，请求上海耶松洋厂提供技术支持。该厂尝试使用抽水机排水，以期减轻军舰重量使其浮起。无奈海水随抽随灌，所有排水努力均未见成效。萨镇冰又联络了一家具备打捞铁甲舰能力与经验的丹麦公司前来协助。然而，该公司至少需要五十天才能抵达现场。待到丹麦打捞船队最终赶到时，“海天”舰已整体损毁严重，无法整体起浮，只得转而尽力打捞舰上各类设备。经过长达一年多的持续作业，陆续从“海天”舰残骸中打捞出机器设备、枪炮弹药等物资，总价值约三十五万两白银，其中由丹麦公司打捞的部分约值十二万两，海军官兵自行打捞的部分约值二十三万两。事后，向丹麦公司支付打捞费用近七万两。“海天”舰与“海圻”舰同为甲午海战后清朝海军所拥有的最大吨位军舰（均达4300吨）。“海天”舰的损失对海军力量而言是一次重大打击，此事在朝野上下引起广泛震动。刘冠雄内心十分清楚，身为舰艇管带，损毁如此重要的军舰，依照律法当处斩刑。尽管一些军政界的朋友为他四处奔走说情，但他深知自己罪责难逃，性命恐怕不保。因此，他终日被恐惧所笼罩，精神几近崩溃，甚至一度萌生自杀的念头。 然而，就在此危难关头，袁世凯出面挽救了他的生命。早年，刘冠雄曾在袁世凯极力主张下率舰南下参与“东南互保”，袁世凯对他已颇具好感。八国联军侵华之役结束后，袁世凯破格升任直隶总督兼北洋大臣，成为刘冠雄的直属上司，对他更加赏识与信任。因此，在“海天”舰触礁事故发生后，袁世凯全力保全刘冠雄。在其向朝廷呈报事件情况的第一份奏折中，袁世凯便十分巧妙地为刘冠雄进行了开脱，称其之所以“冒雾前行”，完全是出于“迎提军火，深恐迟误”的公务紧迫性，所犯失误“系因公奋往”所致。故他在奏折中仅建议将刘冠雄“即行革职”，同时主张让其继续留驻舰上，协助萨镇冰开展打捞工作，戴罪立功。此后，清廷虽有意从严惩处刘冠雄，但袁世凯以“其罪可诛，其才可录”为理由，极力请求宽大处理，最终使刘冠雄免于死罪，仅受到革职处分。 袁世凯的救命之恩令刘冠雄感激涕零。自此之后，为报答袁世凯，他竭尽全力效忠于袁氏麾下。这份知遇之恩既使他日后得以飞黄腾达，也令他因此受到后世不少批评与指责。其后的荣辱起伏皆由此事发端，这次事故成为他整个人生命运的关键转折点。刘冠雄被革职后，暂时离开了海军序列，转而投奔袁世凯门下。他曾担任过德州机器厂总办等职务。刘冠雄擅长交际，为人精明干练，且颇具文才，很快便成为袁世凯的亲信之一。 几年后，随着时间推移，“海天”舰触礁事件逐渐被人们淡忘，刘冠雄得以重返海军任职。1908年，他获清廷赐予工科举人出身；1910年，出任海军部军学司科长；至1911年，又改任广东水师营务处总办，重新在海军体系中担任要职。
一九一一年十月，辛亥革命的浪潮席卷全国，清政府的统治迅速土崩瓦解。在此局势剧变之际，刘冠雄选择避居上海，冷静观察时局的走向。上海都督陈其美赏识其才能，聘请他担任沪军都督府高等顾问。一九一二年一月三日，中华民国临时政府于南京宣告成立；五日后，临时大总统孙中山任命黄钟瑛为海军总长。在担任顾问期间，刘冠雄以其专业素养与办事能力，赢得了黄钟瑛的全面信赖与高度赞赏，黄氏时常对人称许刘冠雄“资望才学中外共知”。同月二十七日，黄钟瑛致函孙中山，恳请辞去海军总长职务，并建议改任海军总司令。在这封函件中，他再次极力推荐刘冠雄，称其“资望才学中外共知，实足以表率海军，魇伏众望”，因而正式向孙中山提议由刘冠雄接掌海军总长一职，但这一建议未获孙中山采纳。时局动荡变幻，很快便将刘冠雄推向了政治舞台的中心。一九一二年二月，南北双方展开议和，孙中山辞去临时大总统职务；十五日，临时参议院选举袁世凯为临时大总统。十八日，南京临时政府派遣教育总长蔡元培等人作为专使，前往北京迎接袁世凯南下就职。得知自己视为“恩公”的袁世凯即将前来南京主政，刘冠雄深感振奋，于是主动请缨加入北上迎接团。然而袁世凯并无意南下，经过一番纵横捭阖、软硬兼施的运作，最终如愿在北京就任临时大总统。在袁世凯运作于北京就职的过程中，刘冠雄虽未直接出力，却时常利用机会向各方解释袁世凯此举的“合理性”与“不得已之处”，同时还策动了海军次长汤芗铭、“海容”舰舰长杜锡珪等海军重要人物投向袁世凯阵营，因而也算得上是袁世凯上台过程中的“有功之臣”。最终，袁世凯在北京正式就任临时大总统，并组建了北京政府的第一届内阁。三月三十日，袁世凯任命刘冠雄为海军部总长。追随袁世凯的努力为刘冠雄带来了丰厚回报，一夜之间，他便成为海军的最高领导人。同年十一月，刘冠雄获授海军上将军衔，成为民国历史上第一位海军上将。 民国初立，海军建设处于百废待兴的状态。刘冠雄上任后，立即着手整顿部务，建立规章制度，强化中央集权，使海军建设逐步走向统一与有序，并在此过程中取得了一定成效。他认为中国疆域陆海交错，海防任务艰巨与海军力量薄弱之间的矛盾极为突出，必须从装备更新、战术研究、人才培养等方面全面加强海军建设。因此甫一就职，他便着手拟定为期十年的海军发展计划，接收各地海军机构，组织制定各项管理条例，积极整顿海军教育体系，各项工作推进得颇为扎实。当然，刘冠雄的所有举措均建立在一个明确的前提之下，即完全听从袁世凯的调遣。袁世凯希望刘冠雄将海军建设强大，根本目的仍是使其能为己所用；而在刘冠雄的统领下，中华民国海军在许多关键时刻也确实扮演了“袁家军”的角色。一九一三年七月，孙中山发动反对袁世凯独裁统治的“二次革命”，刘冠雄率领海军积极参与了镇压行动。当时驻守上海的海军舰队曾暗中与讨袁军联络，筹划起义。刘冠雄获悉后，立即将舰队调往烟台进行整训，加强控制力度。随后，海军部次长汤芗茗奉命率领一支分舰队开赴湖口，配合袁世凯的北洋军镇压李烈钧指挥的江西讨袁军。刘冠雄则亲自率领海军主力南下，进攻以上海讨袁军总司令陈其美为目标的上海讨袁力量。七月二十八日，刘冠雄率舰队抵达上海，掩护北洋军登陆，增援被上海讨袁军围攻的江南制造局。为配合北洋军进攻，他指挥海军以猛烈炮火轰击讨袁军驻守的吴淞口炮台。双方激战十余日，“海圻”舰在战斗中受损，吴淞炮台也被击中要害。由于讨袁军抵抗顽强，加之海军内部不少官兵同情甚至支持革命，海军作战进展不顺，迟迟未能攻占吴淞炮台。袁世凯对海军的表现甚为不满，致电刘冠雄称，进攻吴淞口炮台多日未克，外界已有讥讽海军怯懦之声。八月十三日，吴淞口炮台最终被攻陷。但袁世凯仍不满意，他再次电告刘冠雄，指出攻占炮台后竟未擒获一名著名“匪首”，令人费解。刘冠雄接到电报后，向袁世凯详细呈报了攻占吴淞口炮台的经过，并对其关于海军作战不力的指责进行解释。在海军攻占吴淞口炮台的同时，海军配合北洋军击退了上海讨袁军对江南制造局的进攻，上海起义至此失败。八月十四日，袁世凯任命刘冠雄兼任南洋巡阅使，率领舰队开赴南京，镇压黄兴指挥的江苏讨袁军。二十五日夜，刘冠雄指挥舰队猛攻南京狮子山炮台，同时派遣“海筹”、“永丰”等四舰伺机上驶，掩护冯国璋的第二军在下关登陆。此后，参与会攻南京的各舰在刘冠雄指挥下昼夜不停轰击南京城，配合冯国璋部向南京讨袁军发起总攻。九月一日，南京被北洋军占领。不久，刘冠雄又以南洋巡阅使身份，率领海军赶赴江苏继续镇压讨袁军残余力量。同年八月，他还奉袁世凯之命前往福建，以“编遣”为名解散了宣布独立的许崇智第十四师，并将马尾船政局及各炮台收归海军部直接管辖。十二月，刘冠雄兼任福建都督，趁机解散国民党福建支部，追缴全省国民党员的证书证章，彻底瓦解了国民党在福建的地方组织。孙中山领导的“二次革命”最终遭到镇压，刘冠雄指挥的海军在其中发挥了关键作用。袁世凯深知这一点，因而对刘冠雄更加信任和倚重，并设法加以笼络。刘冠雄率舰南下时，袁世凯曾秘密拨付其一笔巨款作为军费。“二次革命”被镇压后，这笔款项尚余数十万元。刘冠雄回京后，亲自向袁世凯汇报经费开支情况。袁世凯却有意岔开话题，顾左右而言他。刘冠雄将缮写清晰的经费开支清单呈递袁世凯过目，袁世凯看也不看，随手将清单交还刘冠雄，面带愠色地说道：“这么一点小钱，你自己处置便可，何必再来烦我？”刘冠雄不明袁世凯真意，又不敢深问，只得告退。回去后，他对袁世凯的举动反复思量，心中不安，于是召来自己的心腹幕僚商议。这位幕僚对刘冠雄分析道：“这是大总统赞赏总长忠勇勤勉，特以此款作为奖赏。只是大总统不便明言，才如此示意。总长何必多虑呢？”刘冠雄听罢恍然大悟，对袁世凯更是感激涕零。袁世凯当政期间，内阁虽历经数次更迭，但刘冠雄始终是海军总长的不二人选。一九一三年七月，熊希龄受命组织北洋政府第四届内阁时，刘冠雄曾提出由自己的老师严复出任海军总长，自己甘居其次担任海军次长。但这一建议刚提出即遭袁世凯否决，他在相关呈文上明确批示：“断不准行。”袁世凯一锤定音，刘冠雄只得从命，在新内阁中继续担任海军总长。除了执掌海军部，刘冠雄还曾临时兼代过交通总长和教育总长的职务。“二次革命”结束后，刘冠雄率部前往福建剿办当地土匪。一九一三年十二月五日，袁世凯又命他兼领福建都督。刘冠雄在都督任上仅二十余日，至当月三十日，各省都督之制被裁撤，他随即返回北京继续担任海军总长。 一九一五年，袁世凯的帝制活动正紧锣密鼓地推进。刘冠雄虽一贯积极追随袁世凯，但对推行帝制并不赞同，甚至曾与王士珍一同当面劝谏袁世凯，希望其慎重行事。结果引得袁世凯极为不悦。刘冠雄担心招致杀身之祸，不敢再公开反对帝制。同年十月，他不得不顺应形势，与其他海军高级官员联名上书袁世凯，请求变更国体，实行君主立宪制。十二月，预备“登基”的袁世凯册封文武百官，刘冠雄被特封为二等公，这是海军人员在当时所能获得的最高爵位。
袁世凯一系列违背时代潮流的倒行逆施，激起了全国范围内各阶层人民的强烈愤慨与广泛反对。在此背景下，以孙中山先生为核心的“中华革命党”率先在上海展开了反对袁世凯复辟帝制的英勇斗争，其重要行动之一便是成功刺杀了袁世凯在上海地区的得力干将——身兼上海镇守使与海军中将的郑汝成。郑汝成与刘冠雄渊源颇深，二人曾是留学英国时期的同窗；在早前的“二次革命”期间，郑汝成正是在刘冠雄所率领的海军舰队的密切配合下，击退了进攻江南制造局的讨袁军。郑汝成遇刺后，“中华革命党”人抓住袁世凯在上海统治力量被削弱的有利时机，果断发动武装起义。1915年12月5日，革命党人首先策动北洋海军“肇和”号巡洋舰官兵起义，并顺利控制了该舰。随后，“肇和”舰调转炮口轰击江南制造局，试图与岸上各路起义部队里应外合，一举攻占上海。然而，由于袁世凯驻军实力过于雄厚，此次起义最终在激烈交锋后不幸失败。海军舰艇公然参与上海起义的事件，令时任海军总长的刘冠雄深感震惊与不安；尤其让他内心倍感窝火的是，“肇和”舰的舰长正是由他本人亲自举荐提拔的。这位舰长名叫黄鸣球，不仅是刘冠雄的福建同乡，还与他同为福州船政学堂的校友，两人更有一起远赴英国留学的经历。刘冠雄担任海军总长后，出于赏识与信任，破格将黄鸣球提拔为“肇和”舰的少将舰长。值得注意的是，起义爆发当晚，黄鸣球于前一日傍晚被设计骗上岸参加一场宴会，因此并未在舰上。事件发生后，黄鸣球仍被逮捕问责。与此同时，海军总司令以及“肇和”舰所属的练习舰队司令也均因此事被撤职并查办。不久，北洋政府更是直接取消了海军总司令这一职位，改由海军部直接统辖各舰队。 继上海起义之后，蔡锷等人于1915年12月25日在云南毅然发动起义，组建护国军，正式拉开了波澜壮阔的护国战争的序幕。蔡锷起兵后，全国各省纷纷响应，袁世凯急忙调遣重兵进行残酷镇压。1916年4月15日，刘冠雄奉命率领“海圻”、“海容”两艘主力军舰，护送从招商局临时雇佣的“海晏”、“新铭”、“新裕”三艘运兵轮船，搭载援兵前往福州增援。这支五艘船只组成的编队从塘沽起航，采取分序列行进的方式：“海圻”舰与“海晏”轮率先出发，“新铭”轮随后跟进，而刘冠雄则亲自坐镇“海容”舰，与“新裕”轮一同殿后。4月22日，当“海容”舰与“新裕”轮行驶至浙江温州附近海面时，天气骤然恶化，海上风浪大作，同时浓雾弥漫，能见度极低。深夜11时许，不幸发生严重碰撞事故，“海容”舰与“新裕”轮猛烈相撞；“新裕”轮在挣扎了两个多小时后，于次日凌晨1时许沉入茫茫大海。事故中，全船仅有船长和两名电工侥幸生还，其余七百多名陆军官兵以及随船的若干名海军部官员全部罹难。尤为令人唏嘘的是，此前因刘冠雄特意请赦而得以免罪、随船发往军前效力的黄鸣球，也在此次惨烈的事故中遇难。“海容”舰与“新裕”轮相撞的严重海难发生后，有关方面展开了长达三个月的详细调查，最终认定“海容”舰舰长干联璈应对事故负主要责任，其被处以“褫职夺官”的严厉处分。而此时的刘冠雄，其实也已去职离任。 纵观刘冠雄的仕途，他虽在许多事务上追随袁世凯的意志，但并非毫无主见的盲从者，其内心亦保有某些独立的思想与判断，尤其在袁世凯推行帝制这一重大问题上，他曾明确表示反对，甚至一度与王士珍等要员一同规劝过袁世凯。不料此举遭到袁世凯的严厉训斥，被斥为“不懂政治”，自此刘冠雄便不敢再公开反对帝制，甚至一度随波逐流，参与组织海军将领联名上书拥戴袁世凯称帝。然而，刘冠雄表面上虽表示同意，内心深处却充满矛盾与忧虑，他认为跟随袁世凯搞帝制必将“祸在日后”，但若不跟从则可能立即招致“祸在目前”。因此，当袁世凯称帝后封他为“二等公”时，他非但没有感到荣耀，反而终日惶惶不安，甚至夜不能寐。1916年1月，内心犹豫不决的刘冠雄奉命南下镇压风起云涌的“护国运动”，直至同年5月才返回北京。在亲身经历了全国上下汹涌澎湃的反袁浪潮后，刘冠雄敏锐地判断袁世凯的统治已岌岌可危、行将末路。为了给自己预留后路，他回京后便称病坚决不再公开露面。事后证明，刘冠雄这一选择颇具政治智慧，他的“归隐”使其在袁世凯倒台后，并未因曾支持帝制而受到严厉清算与牵连。不过，或许也正是因为失去了袁世凯这一政治靠山，刘冠雄在政坛上的影响力也日渐式微，成了强弩之末。1916年6月6日，帝制梦碎的袁世凯在忧愤中病逝，副总统黎元洪依法继任大总统，段祺瑞出任国务总理，组成新内阁。黎元洪推荐了自己早年在海军任职时的老上司程璧光出任海军总长。至此，担任了四年多海军总长的刘冠雄正式下野。不久后，因黎元洪与段祺瑞之间爆发“府院之争”，段祺瑞去职，张勋乘机拥立溥仪复辟。1917年7月，段祺瑞在天津马厂起兵，迅速驱逐张勋，重新担任国务总理。在新组建的内阁中，刘冠雄被重新请出山，再度担任海军总长。此后数年间，北洋政府更迭频繁，王士珍、段祺瑞、钱能训等人先后组阁，而刘冠雄凭借其资历与海军内的地位，始终得以蝉联海军总长一职，直至###BOOKTITLE_1###所述的历史阶段。
一九一九年十二月，靳云鹏受命组建北京政府第十二届内阁，刘冠雄于此届内阁中不再担任职务，其海军总长一职由萨镇冰接任。至此，在北京政府此前共计十一届内阁的漫长历程中，刘冠雄曾先后九次出任海军总长，这一记录凸显了他在当时海军系统及政坛中的持久影响力。尽管刘冠雄自此离开了政府核心职位，但他依然通过多种渠道与上层政治人物保持着密切的往来与沟通。一九二零年六月，刘冠雄返回福建省亲期间，大总统徐世昌还特意发电报召其陪同美国公使前往北京商议要务，足见其仍受当局倚重。次年六月，北京政府又委派刘冠雄等人担任查勘福建等省禁烟情况的专员，负责督查相关政务。 至一九二二年七月，刘冠雄本有意出任福建省长一职，却因旅居上海的闽籍人士及北京福建同乡会公开发电表示反对而未能如愿。此次挫折对刘冠雄的仕途与心境造成不小打击，使其顿感心力交瘁。同年十一月，大总统黎元洪特派刘冠雄担任福建镇抚使，以期其在地方维稳中发挥作用。一九二三年四月，刘冠雄再获任命，出任闽粤海疆防御使，负责沿海防务。同年十月，大总统曹锟更特任刘冠雄为熙威上将军，授予其高等军衔荣誉。 然而，二十世纪二十年代的中国正陷入军阀混战、政局动荡的艰难时期，国家前途日益晦暗，海军力量也在连绵内战中趋于分裂。面对如此时局，刘冠雄深感无力回天，身心俱疲，逐渐萌生退隐之意，并多次以健康不佳为由向当局提出辞呈。直至一九二三年十一月，北京政府最终批准了他的辞职请求。离开政坛后，刘冠雄选择寓居天津，远离纷繁政事，平日以侍弄花草、种植树木作为消遣，过着闲适的退隐生活。 不料，一九二七年刘冠雄罹患肠部疾病，饮食受限，仅能进用流质食物。后因一次饮食上的不慎，导致肠道突发大量出血，病情急剧恶化。家人紧急从北京延请西医专家，常驻家中为其诊治，竭尽全力试图控制病情，但终因当时医疗条件所限，未能挽回其生命。一九二七年六月二十四日，刘冠雄在天津家中与世长辞，终年六十七岁。