1921年，作为中国政府代表团的秘书和中国学生团体的代表，刘湛恩出席了关于裁军和远东问题的华盛顿会议。

1922年，刘湛恩获哥伦比亚大学哲学博士学位后回国，应时任南京东南大学校长、哥大校友郭秉文之邀，任南京东南大学教授。次年，刘湛恩来到上海和刘王立明结婚，随后驻留上海，任中华基督教青年会全国协会教育部总干事，同时还在大夏大学、光华大学兼课，讲授教育学。他宣传“教育救国”、“公民教育”，提倡举办职业学校和文化补习学校，并任上海职业指导所主任。

1925年5月，上海发生了震惊中外的五卅惨案。在美国基督教会办的圣约翰大学内，中国师生集会升半旗以示哀悼，美籍校长卜舫济竟当众扯下中国国旗，全校爱国师生愤而退出该校，自行组织光华大学。刘湛恩虽身为基督教青年会领导成员，却全然不顾教会的反对和阻挠，支持离校师生创建新校，并担任光华大学校董兼教授。1926年，作为中国代表团团长，刘湛恩率团出席了在芬兰首都赫尔辛基举行的世界基督教青年会大会。

大革命后，面对全国人民反帝爱国运动怒不可遏的形势，中国的各个教会学校不得不改革体制，调换外籍校长。1928年，32岁的刘湛恩接受上海沪江大学校董会聘请，接替美籍校长魏馥兰（F. J. White）担任校长。

1928年2月25日，刘湛恩出任沪江大学校长的就职典礼隆重举行。国民政府大学院院长蔡元培、工商部长孔祥熙、上海市长张定璠、卫戍司令熊式辉等国民政府要员及卜舫济、郭秉文、李登辉、李权时、朱经农、潘序伦等中外社会名流出席了典礼。刘湛恩发表了题为《大学的使命》就职演说，阐述自己的办学思想，宣称大学具有培养人才、研究学术和改造社会的三项使命，向师生勾勒了他所设想的“学术化、人格化、平民化及职业化”沪江模式和蓝图。这一年，32岁的刘湛恩成为沪江大学历史上第一任中国籍校长。

刘湛恩就任后，立即对这所美国基督教浸礼会创办的宗教气息浓郁的大学，进行了一系列的整顿和改革。他竭力削弱宗教对学校的影响，强调教学工作的独立性，避免教会对教学的干预，改革陈旧的规章制度。他压缩宗教课程，改为选修课，并不计学分。每星期日的礼拜活动，改为自愿参加。他聘请凃羽卿、余日宣、徐作和、蔡尚思等有真才实学的专家学者任教，还增设了许多新的专业课程，如商科的工商管理、国际贸易、银行、会计等专业，化学系外又另设生物系，与协和医学院挂钩，协和承认沪江的学分，学生在沪江读几年后经考核及格，就可进协和医学院，实际上成为协和医学院的预科。他多次出国考察、募款，在沪北扩建校舍，购置了实验仪器设备。

当时沪江大学的经济大权掌握在代表教会利益的美国人手中，刘湛恩经常为学校购置设备等与美籍财会人员力争。刘湛恩认为学校不应专为中上层人士的子弟服务，也应面向贫寒子弟。他在沪江大学设置了多种奖学金、助学金的名额，并大力提倡半工半读，以帮助家境贫困、学习勤奋的学生修完学业。有的学生因参加爱国民主活动，校方企图以不让毕业来阻挠。刘湛恩与校方进行说理斗争，保证这些爱国学生得以毕业。个别学生寒假期间因路费困难无法回家，他让学生住在自己家中。他还非常关心这些学生毕业后的出路，为他们介绍工作。刘湛恩特别重视课堂学习和实际工作的结合，注意加强商科各专业与上海工商企业金融机构的联系，并建立自幼稚园到高中一整套教学实验体系。在杨树浦附近工厂区和农村设立社会服务和调查中心，以便于学生接触实际和进行社会调查。

此外，刘湛恩还力排众议，在接近上海市区商业中心的圆明园路创办“城中区商学院”。不久，又将杨树浦校本部的商学院迁并于城中区。商学院除大学本科4个系外，并为在职青年设置大学专修科、普通科和单科训练的特科。商学院还为照顾在职青年学生和兼课教师时间上的冲突，充分利用夜间业余时间授课。这种打破传统高等教育模式的创举，实为以后中国夜大学的发端。由于这些改革，使沪江大学在当时私立大学中以学风纯朴闻名，较少教会气，更多中国化。尤以商科和化学系，在教学水平上居上海各大学之首。城中区商学院的建立，受到在职青年的欢迎，入学人数迅速增加。第二学期即达500多名，占沪江大学全校学生半数以上，超过了校本部。上海工商界徐寄庼、刘鸿生、吴蕴初、王志莘等著名人士也给予赞助和支持。他们捐资充作基金，提供师资、教材，鼓励自己企业中的青年职工报考，并设置奖学金。商学院培养了一批受过高等教育的工商企业管理和财会人才，也扩大了沪江大学的社会影响。

九一八事变后，刘湛恩积极参加抗日救亡运动，在校内外各种讲坛上，大声疾呼救亡图存，并利用出国考察和参加国际会议等机会，在欧美各国和南洋各地揭露日本帝国主义对中国的侵略行径，号召侨胞团结一致，支援国内的反侵略斗争。刘湛恩的演讲慷慨激昂，感人至深，在华侨中引起巨大反响。刘还邀请力主抗日的冯玉祥、陶行知、李公朴等爱国人士到校演讲，并参与声援东北义勇军等活动。

一·二八事变的炮火震撼上海的时候，沪江大学成为被战火波及的学校之一：日军司令部和机场就设在校园隔壁，还控制了通往市区的道路。国难当头，刘湛恩参加了上海各界人民抗敌后援会的工作，积极支持十九路军抗日，还作为上海地区代表赴洛阳出席“国难议会”，商议救国良策。

1933年7月到1934年3月，刘湛恩应邀访美期间，对美国二十几个城市和各大学进行了频繁的访问和演讲，他介绍中国局势，揭露日本帝国主义对中国的侵略。

1935年，“一二·九”运动爆发次日，刘湛恩与上海文化界知名人士一起联合发表了《上海文化界救国运动宣言》，公开表明了抗日立场，甚至于与学生代表一起到上海市政府请愿。

1936年5月，刘湛恩与中华职教社黄炎培、江恒源、蒋维乔、夏丏尊等，以上海文化界名义致电蒋介石，敦促速定对外方针，一致御侮。同年暑假，刘湛恩指示政治系教授余日宣带领18位学生，组成“沪江大学西北考察团”抵达西安，向张学良将军宣传抗日救亡。他还多次邀请陶行知、李次山等爱国人士到沪江演讲，宣传抗日救国。

1937年8月，上海虹桥机场事件引发在中日之间武装对峙，刘湛恩意识到沪江将难逃厄运，决定把全校师生员工和家属安全转移到市中心区，把位于公共租界的城中区商学院作为临时校舍，坚持办“没有校园的大学”。

1937年8月12日下午，沪江教授及其家属差不多都走光了，刘王立明带着儿子光华、光坤离开校园，将家搬迁到南京西路的安乐坊81号。刘湛恩却偕长子光昇同几位自愿的中西教员留校坚守。8月13日，八一三淞沪抗战爆发，沪江被日军抢占，后来被用作兵营和军用机场。这天夜间11时左右，刘湛恩趁着夜色，撤离到城中区商学院。10月1日，沪江各院系、沪江附中、沪东公社都迁到圆明园路沪江城中区商学院大楼复课，当时二千多名学生挤在一幢大楼里轮流上课，弦歌不辍。

刘湛恩除主持联大校政外，还积极从事抗日救亡工作。1937年9月，刘湛恩通过美国哥伦比亚广播公司向美国公众发表演说，宣传中国的抗日。11月，刘湛恩与全国部分大学校长和知名学者蔡元培、张伯苓、胡适等一起，联名发表长篇英文声明，历述日本帝国主义蓄意破坏中国文化机构的罪行，呼吁世界各国人士加以制裁。当他听说在美国的老师孟禄发表亲日讲话后，他便应外交部的建议，以本人和哥大教育学院校友的名义发电责问，直到孟禄回电告知此事为误传方作罢。刘湛恩的义举，不仅赢得了上海各界的尊重，也使得沪江很快成为抗战全面爆发后上海各大学关注的中心，刘湛恩也因此被推为上海各大学抗日联合会负责人、上海各界人民救亡协会理事、基督教救济总会主席、国际红十字会副会长。

他广泛联系在沪的国际知名人士和外国记者、作家，发起组织“国际联欢社”，积极开展国际宣传工作，日夜为宣传抗日、捐款而奔波，还积极组织沪江师生参与难民收容和募捐工作。他主持支援前线、救护伤病号以及困居于租界的难民救济工作。他还通过上海青年会发起组织“上海学生救济委员会”，负责安顿平津等地流亡来沪学生的食宿。领导沪东公社开办了“复兴难民收容所”，收容了600多个难民，在难民中实施“上午工艺，下午教育”，此外，还施医送药，组织说书、话剧等文娱活动。

1937年12月南京沦陷后，刘湛恩领导组织国际友谊社，代表政府与各国驻沪外交人员联络，向友邦政府和人民宣传中国的抗日主张，以争取国际友人对中国抗战的同情和支持。震惊世界的南京大屠杀罪证照片，就是由滞留在南京城里的西方宣教士冒死拍摄后辗转交给刘湛恩保存并设法公布于世的。

1937年11月，日本侵略军进占上海，上海租界沦为“孤岛”，汉奸、暴徒横行无忌，暗杀、绑架事件层出不穷。救亡协会不少负责人纷纷前往内地。刘湛恩置一己安危于度外，最后还是选择了留守，日夜为抗日工作而奔忙。日伪因此更视刘湛恩为眼中钉，一直寻找机会，要对刘湛恩下毒手。

1938年2月，受日本方面指使，黄道会汉奸常玉清便多次试图暗杀刘湛恩，采取的行动包括但不限于：派出三名枪手在刘宅周围埋伏，企图在刘湛恩出门去电报局发电报时狙击，由于附近刚好有两个巡捕，作罢；向刘宅中投掷手榴弹，由于扔得不够远，手榴弹落在天井中爆炸，除刘宅院子的玻璃窗被震碎外，正在客厅里做功课的刘氏三兄妹并未受伤；给刘湛恩家送去一篮注入毒药的水果，为保万无一失，特意将寄件人写成刘湛恩的一位英国友人，不过弄巧成拙，这位英国朋友早在两年前已经作古，毒水果被刘湛恩妻子识破，随即报案。

面对日伪的死亡威胁，不少友人劝刘湛恩离沪暂避，但他表示留在上海的抗日协会负责人已所剩无几，沪江大学行政也必须有人主持，决不能临危退离。

在威胁、谋杀的同时，日伪还策划拉拢刘湛恩。1938年3月，日本扶植下的“中华民国维新政府”在南京成立。因为汉奸温宗尧曾是刘湛恩留美时的同学，日本华中派遣军特务机关长白田宽三就布置温前去游说刘湛恩担任伪政府教育部长一职，但遭到刘湛恩严辞拒绝，并晓以大义，劝温悬崖勒马。他还一再劝阻另几个对日本态度暧昧的熟人，保重晚节，万勿事敌。由于刘湛恩坚定的抗日态度，日本方面最终给上海的日伪汉奸下达死命令，必须除去刘湛恩。

1938年3月底，考虑到刘湛恩在海外的影响，国际救济协会委托刘湛恩出国为中国难民募集救济金。刘湛恩于是在中国旅行社预定了4月13日先到香港的船票。日军得到情报，马上召集常玉清等汉奸，下令必须在刘湛恩出国前将其杀死，并表示事成后给予重赏。黄道会先派4名歹徒化装成柴贩、报贩和黄包车夫，把枪夹在柴爿中和车座下，不分昼夜在安乐坊附近监视刘湛恩，伺机行动。他们甚至还在江宁路溥益里15号租了一间房子，作为存放枪支和指挥谋杀刘湛恩的基地。4月6日，歹徒尾随刘湛恩一直到外滩附近的沪江。但由于沿路人多，岗警也多，歹徒始终不敢贸然动手。

1938年4月7日晨8时半，刘湛恩携子出门，在静安寺路大华路（今南京西路南汇路）公共汽车站候车去圆明园路学校时，突遭日伪收买的暴徒背后枪击，刘湛恩当场身亡，年仅43岁。

作为社会知名人士和上海抗日救亡运动的民间领袖之一，刘湛恩的学术研究除教育本身外，多集中在唤醒民众抗日救亡、公民教育与社会发展方面。根据不完全统计，已知刘湛恩主编、参编、撰写的的著作（论文）如下：

1、《公民教育运动计划》

2、《公民测验表》

3、《国庆节与公民教育运动》

4、《公民宣讲队办法》

5、《公民与民治讨论大纲》

6、刘湛恩、陈伯华编《国内问题第一辑》

7、刘湛恩、陈伯华、孙祖基编《和平运动讨论大纲》

8、刘湛恩、顾子仁《新公民诗歌》

9、刘湛恩、顾子仁《民生主义》

10、《廉洁问题》

11、《卫生运动实施计划》

12、《三民主义讨论大纲》

13、《全国青年会公民教育运动报告》

14、《公民与民治》

15、《公样民诗歌》

16、《怎做一个中华民国的良好公民》

17、《职业自审表》

18、博士论文：《从孩子学习中最有兴趣的科目考查出其日后应长期从事的专业》

19、青年女子的出路

20、废止内战运动

21、升学指南，1930

22、升学指南，1933

23、世界年鉴

24、学生指南

刘湛恩是整个八年抗战中被日伪汉奸杀害的大学校长。刘湛恩遇害后，中外震惊，国民政府明令要对刘湛恩举行公葬、褒扬并抚恤刘氏家属。1938年4月9日，包括中共驻沪代表在内的中外各界人士2000余人在贝当路（今衡山路）53号国际礼拜堂为刘湛恩校长举行追悼会。上海市各团体同赠挽联：“为国牺牲”，沪江大学全体师生佩戴黑纱参加追悼会，并宣布停课三日。

刘湛恩的妻子刘王立明在追悼会上宣布继承刘湛恩的遗志，并将所有奠仪转交上海国际红十字会，用于难民救济工作。中华基督教协进会、美国浸礼会、美国南方浸信会等纷纷赞扬刘湛恩的品格和功绩，对他的被刺表示哀悼和愤怒。当时上海各报，包括英文、日文报纸，都对刘湛恩的不幸遇难作了报道。一些著名的爱国人士冯玉祥、陶行知、邹韬奋、郑振铎、罗家伦等都先后发表了悼念专文。

1947年10月，沪江师生在虹桥公墓刘湛恩墓前，竖立了一座白色大理石墓碑，上面镌刻着：“刘故校长湛恩博士殉国纪念碑”。1948年3月，沪江集资扩建了图书馆，并将新馆命名为“湛恩纪念图书馆”。

1984年刘湛恩被上海市民政局追认为革命烈士。1985年被国家民政部追认为革命烈士。2015年8月24日，被列入民政部公布的第二批600名著名抗日英烈和英雄群体名录。

1952年，沪江停办，“湛恩纪念图书馆”随之撤销。十年浩劫中，刘湛恩的墓和碑都被夷平，连同遗骨荡然无存。1991年11月，上海机械学院（上海理工大学前身之一）图书馆再度被命名为“湛恩纪念图书馆”，匾额由著名书法家、原沪江图书馆及上海图书馆馆长顾廷龙书写，大厅还安放了刘湛恩烈士塑像。碑文由沪江1943届毕业生、孙中山外甥王弘之撰稿，沪江1947届毕业生、著名牧师周联华刻写。