刘步蟾幼年丧父,与母亲相依为命,“事母至孝”。少时性格沉毅,好学善思,爱憎分明,敢与非礼不义之事相争。 同治六年(1867年),考入福州船政学堂,入后学堂,学习驾驶。十年(1871年),与同学十八人上“建威”号练船实习,南至厦门、香港、新加坡、槟榔屿,北上渤海湾、辽东等地,途中测量日度、星度,操练驾驶,见识大为增进。事后,船政大臣沈葆桢称赞说:“其精于算法量天尺之子者,则闽童刘步蟾、林泰曾、蒋超英为之冠”。次年,刘步蟾以第一名成绩成为福州船政学堂首届毕业生。
光绪元年(1875年),刘步蟾任“建威”号管带。次年,被派赴英国学习海军,三年,上英国地中海舰队旗舰“马那杜”(H.M.S.Minotour)号实习,担任见习大副。次年,因病自塞浦路斯离舰返回巴黎休养,四年痊愈,重返地中海舰队实习,上“拉里号”(H.M.S.Raligh)。实习期间,因学习刻苦、勤于钻研,受到舰队司令斐利曼特将军的好评。旋回国,以游击留闽尽先补用。不久,任“镇北”舰管带。期间,与同学林泰曾合撰《西洋兵船炮台操练大略》,将留学期间心得结合我国海军实际加以申说,指出中国发展海军,“最上之策,非拥有铁甲等船自成数军决胜海上,不足臻以战为守之妙”,主张壮大海军实力。当时,清廷正筹议海防,发展海军自是题中之议。六年(1880年),清政府在德国伏尔铿厂订造铁甲舰,即后来的“定远”、“镇远”。八年(1882年),刘步蟾等被派前往德国,验收、协驾铁甲舰。十一年(1885年),刘步蟾督带“定远”等舰顺利回国,被任命为“定远”舰管带,授参将,旋升副将,赏强勇巴图鲁勇号。