袁世凯帝制覆灭后，段祺瑞夺取了北京政权，毁弃约法，解散国会。为了反对段祺瑞的军阀专制统治，1917年7月，孙中山率驻沪海军南下广州，高举护法旗帜，组织护法军政府，形成南北对峙的局面。湖南成为南北两军激烈争夺的战场。孙中山委派程潜等到湖南活动，推动护法斗争，为北伐开辟道路。

段祺瑞则将谭延闿免职，任其亲信傅良佐为湖南督军，并派吴光新率重兵进驻岳阳。国会解散后，国会议员陈嘉会回到湖南，倡议护法，希望湘军联合粤桂军共同抵抗北洋军。对此，谭延闿初有难色，认为湖南兵力薄，没有能力反段。后经多方商量，遂定对付傅良佐督湘之大计。谭延闿花重金调望云亭北上，迎接傅良佐，同时任命一向坚主反段的刘建藩署理零陵镇守使。当时，零陵镇守使署所辖各守备队的中下级军官，多属广西学兵营出身，与刘建藩有师生关系。且湘桂两省，唇齿相依，刘建藩早年从广西发迹，零陵的地理位置，又正好与广西联成一气，缓急可以相济。

刘建藩8月29日接到命令，次日即轻装简从赶往零陵视事，集中所能收编的队伍，将守备队由12营扩编为20营；同时报请谭延闿批准，由前铁道守备司令李仲麟率领旧部两营赴湘南驻防。刘建藩在零陵厉兵秣马，同时与衡阳林修梅紧密联系，互成犄角之势。

9月9日，傅良佐抵达长沙，对刘建藩深怀疑忌。13日发布命令：撤销湘军第一师第二旅旅长林修梅的职务，派邹序彬接替；撤销零陵镇守使刘建藩的职务，调回长沙，另委陈璩章接替。刘建藩当即拒绝陈骤章入境。9月18日，刘建藩与林修梅同时发出通电，宣布独立。通电发出后，两处起义军迅速控制了湖南24个县，布告安民，宣布湘南24县为戒严区域。衡、永独立，揭开了第二次南北战争的序幕。

孙中山得悉刘建藩、林修梅起义护法，无比兴奋，于当天发来电报，深表支持和鼓励。10月7日，孙中山又委任赴广州汇报起义情况的林伯渠为湖南劳军使，回湘南前线慰问起义将士。段祺瑞得到衡、永独立的消息后坐卧不宁，一面电令派兵“剿抚”，一面发表褫夺林、刘官职并予以通缉的命令。傅良佐也在长沙宜布戒严，并通电“声讨”林、刘。他还指使一些湘军将领“劝导”林、刘取消起义，并收买一些原湘军将领，妄图玩弄湘军打湘军的把戏。

刘建藩在零陵起义以后，带领部队向衡阳方向前进，与林修梅一起抵抗北军的进攻。时因傅良佐出师不利，段政府即派第八师师长王汝贤、第二十师师长范国璋为正、副司令，率三路大军共计3万多人进逼湘南。护法军除电请广州军政府实力援助外，即分三路迎战。刘建藩率领零陵镇守使署守备队负责右翼任务，赴攸县抗击敌人。此时刘建藩、林修梅仅有5000之众，而且装备较差，靠将士的勇气和人民的支持，抗拒强敌。10月初，林修梅等率领中路部队与敌军在萱洲河地区发生胶着战。10月11日，衡山失守，湘军退守贺家山一带。10月下旬，桂军、粤军一部陆续人湘增援，公推谭浩明为湘粤桂联军总司令，部署全线反击。这时，北军内部有皖系主战和直系主和的矛盾，王汝贤、范国璋均接近直系，不愿为皖系的傅良佐打江山，再加上时值初冬、阴雨连绵，北军水土不服，士气低沉，兵士厌战，且指挥不统一，导致北洋军全线败退。王汝贤被迫逃往株洲，护法军乘胜追击。11月14日，王汝贤、范国璋通电请求停战议和。督军傅良佐见大势已去，当晚逃离长沙。17日，王汝贤、范国璋亦逃出长沙。在这种局势下，段祺瑞被迫辞职。19日，起义军攻占长沙。21日，程潜、刘建藩、林修梅等进人长沙，受到各界人士欢迎。24日，程潜以总司令兼任省长。12月18日，谭浩明又以湘、粤、桂联军总司令名义兼领湖南军、民两政事宜。

北军溃退至岳阳一带后，湘、桂两军内部发生分歧。程潜、刘建藩、林修梅等湘军将领，极力主张扩大战果，一鼓进取岳阳。可是联军总司令谭浩明却认为，“段祺瑞已奉命免职，根本已得解决”，主张同北京政府妥协议和。对此，刘建藩等极力反对，并向谭浩明等桂军将领呈文，阐明夺取岳阳的利害关系：湖南人民要求驱逐岳阳北军的情绪日益高涨，如压制这种正义要求，必将影响桂系在湖南的领导地位；孙中山的广州军政府对桂军按兵不动，深表不满，这种情势发展下去，可能会引起粤、桂两军关系破裂；北军在湖北的荆州、襄阳已经得手，主力将回师湖南，我军应先发制人，占领岳阳战略要地。谭浩明无奈，只得同意湘军将领的要求。1918年1月23日开始，护法军分三路向岳州进击，刘建藩仍担任右翼，驻防平江。1月27日，北军全线溃退，岳阳宜告收复。不久湘境全由南军控制。

湘、桂军占领岳阳后本可乘胜推进，直取武汉，联合西南各军，进而推翻北洋军阀的统治。但谭浩明与程潜权利之争愈趋激烈。谭以总司令名义严禁联军入鄂。北洋政府趁此机会，集中优势兵力，于3月10日分两路进攻湖南。曹馄为第一路军总司令，由湖北南下，正面攻岳阳张怀芝为第二路军总司令，分别由江西进攻湘东。南下北军号称40余万人，而湘、粤、桂联军合计不过5万人。其时，刘建藩的部队负责自新墙至平江南江桥九岭方面的防线，抵挡张敬尧部的进犯。刘建藩在战斗中身先士卒，拼力抵抗，以寡敌众，遏止了北军向平江方面的进攻。3月初，战斗激烈进行，谭浩明仍安然坐镇长沙，让桂军精锐部队留驻后方。刘建藩认为平江方面可告无虞，而岳阳正面则兵力单薄，岌岌可危，于是派人到长沙催谭浩明速向岳阳前线增兵，扭转战局。但谭对此置之不理，特别是当曹锟手下的吴佩孚率兵向岳阳逼进的时候，谭浩明釜底抽薪，把桂军撤回广西，湘军士气因之大受影响。3月10日，北军未遇强烈抵抗，即占领羊楼司；13日，又占领云溪。3月18日，岳阳复为北军攻陷，前线部队纷纷向长沙败退。刘建藩所部也被迫由平江后撤。至23日，北军进驻平江，24日，攻陷醴陵，25日，谭浩明自长沙出走，湘、粤、桂护法联军随之瓦解。时刘建藩部退驻攸县草市一带。他因指挥作战操劳过度，咯血不止，身体非常消瘦。在护法军大撤退的情况下，刘建藩不愿溃退，因而驰骑会见粤军总司令马济和湘军总司令程潜、师长赵恒惕，他说：“吾军械弹尚堪一战，不战，恐散之民间，且为患，曷若再决胜于万一。”

4月下旬，程潜、林修梅率部退守耒阳、郴州一带。刘建藩在攸县附近发起进攻。当时刘建藩所部只有3000人左右，但向乘胜猛进的张部大军进行猛烈攻击，把张部杀得大败。刘建藩收复了醴陵和攸县。张怀艺全军溃败，分两路逃跑彼此各不相顾，长沙大为震动，张敬尧吓得手忙脚乱，连电北京政府告急请援。那时在宝庆的张敬尧所部第七师田树勋旅，为了回兵救援长沙，也从宝庆退了下来。

但是，刘建藩孤军奋战，难以持久。当时，桂、粤军已撤出湘境，为保存实力，无意回援；其他湘军亦已退到郴、永一带，未能回军应援。在这种形势下，刘建藩率领前敌护法军在反攻大捷之后，不得不迅速南撒，向株洲方面且战且退。而北军乘虚由马鞍山、龙头铺、荷塘铺长驱直入，占领晏家湾、石子头；又于5月4日猛攻株洲北车站，企图截断南军归路。5月5日，北站失守，情势极为危急。刘建藩督队，向株洲正街退却，准备巷战。其一部通过齐家桥，以沙袋及芦溪纸捆堆作临时工事抵御。刘建藩准备从齐家桥下游港口便桥（俗名孔道门）过港，从城隍庙小巷进人正街，沿湘江东岸向易家凤形山退走。不料便桥狭窄，刘建藩失足落水，当时经过救护，未死，但口呛鲜血，气息奄奄，抬至大冲而殁，时年31岁。