开皇六年（586年），刘焯奉敕与刘炫等学者一同考定从洛阳运来的石经——这些石经因年代久远，文字多有磨灭，刘焯凭借深厚的经学功底与严谨的考据精神，成功辨识出许多模糊的文字，纠正了以往传抄中的错误，为儒学经典的传承做出了重要贡献。
开皇十年（590年），刘焯在国子监举行的祭典典礼上，与诸儒共同议论古今经籍义旨。
他凭借渊博的学识与敏锐的思辨能力，在辩论中据理力争，指出了前贤释义中的诸多错漏，却也因此得罪了不少同僚。
这些人因嫉妒刘焯的才华，暗中联合陷害，诬告他“妄议经典、诋毁先贤”。
隋文帝听信谗言，下令革除刘焯的功名，将其贬为庶民。
这一突如其来的打击，让刘焯的仕途遭遇重大挫折，但他并未因此消沉，反而将全部精力投入到教书与着述之中。
此后十余年，刘焯隐居乡里，以教书为业，“远近生徒，慕名而至”。
他的教学内容不仅包括儒家经典，更涵盖天文、历法、数学等领域，将自己的研究心得倾囊相授。
许多学子为了聆听他的教诲，不远千里而来，一时间，刘焯的讲学之处“学徒盈门，盛况空前”。
在教学之余，刘焯潜心着述，对自己多年的历算研究进行系统整理与完善。
他研读了《九章算术》《周髀》等十多部天文历算典籍，结合自己的观测与推演，先后着成《稽报》十卷、《历书》十卷、《五经述议》等着作。
其中，《稽报》十卷对前代历家的成果进行了系统比较与研究，指出了诸多历法中的谬误；《历书》十卷则是他后来编撰《皇极历》的重要基础；《五经述议》则是他对儒家经典的考校与论述，成为当时学子的重要教材。
这一时期，刘焯还对“影千里差一寸”这一流传数百年的传统说法提出了质疑。
该说法认为，在同一时刻，相距一千里的两地，圭表测量的日影长度相差一寸。
刘焯通过数理推演发现，这一说法存在明显的逻辑漏洞，与实际观测结果也不相符。
为了验证自己的观点，他四处搜集不同地区的日影观测数据，进行对比分析，为日后提出“日体暗虚说”与实测子午线的主张埋下了伏笔。
开皇十四年（594年），太史监的张胄玄等人提出“日长影短”之说，将冬至、夏至影长的差异归咎于隋都迁址，得到了隋文帝的赞赏。
刘焯听闻后，认为张胄玄的说法缺乏科学依据，于是在增损刘孝孙历法的基础上，编成《七曜新术》进献朝廷，希望能纠正当时历法中的谬误。
然而，这部历法遭到了张胄玄等人的极力反对，未能获得朝廷的认可。
开皇十七年（597年），张胄玄编撰的历法正式施行，刘焯的学术主张再次被搁置，但他并未放弃，依旧坚持自己的研究，等待着东山再起的机会。
开皇二十年（600年），隋文帝改立次子杨广为皇太子。
杨广素闻刘焯的才名，为彰显自己的贤明，下令重新议定历法，征召刘焯入东宫参与其事。
年近六旬的刘焯终于迎来了施展抱负的机会，他欣然应召，将自己十余年的研究成果融会贯通，增修完善，最终着成《皇极历》，进献皇太子杨广。
这部凝结了刘焯毕生心血的历法，在当时达到了前所未有的科学高度，堪称中国古代历法史上的里程碑之作。
《皇极历》的科学创新主要体现在以下几个方面：其一，首次考虑了太阳视运动的不均匀性。
刘焯通过长期观测与数理推演，发现太阳在黄道上的运行速度并非恒定不变，而是时快时慢，他据此创立了黄道岁差的概念，较为精确地计算出岁差数值，定出春分点每75年在黄道上西移1度，这一数据与现代天文学测算的结果极为接近。
其二，首创等间距二次差内插法与等差级数法。
刘焯将数学方法与天文观测相结合，发明了用于计算日月五星位置的新算法，有效提高了历法推算的精度，这一数学成就不仅在天文学史上具有重要意义，在数学史上也堪称一大创举。
其三，改进了日月交食的推算方法。
刘焯首创月亮入交定日和太阳入会定日的计算法，扩充了交食食限概念，改进了食分计算法，还列出了九种日应食不食和七种日不应食而食的判别依据，对交食亏起方位也作了详细论述，使日月食的推算更加准确。
其四，创立了定气计算法。
刘焯打破了以往历法中使用平气的传统，首次采用定气来划分二十四节气，为后世定气、定朔计算指明了方向。
《皇极历》的问世，得到了皇太子杨广的首肯，却因复杂的政治原因未能及时推行。
当时杨广新立为太子，根基未稳，不敢擅自做主修改历法，便以《皇极历》“未获考验”为由将其搁置。
而隋文帝因刘焯此前曾质疑《开皇历》，对他始终心存芥蒂