1985年毕业于北京理工大学力学工程系，1986年作为中国政府派遣留学生赴日本留学。1989年获得大阪大学基础工学部机械工程系工程硕士学位，1992年获得东京大学工学部数理与信息工程系工学博士学位。1992年4月至1995年2月期间，在日本通商产业部工业技术院电子技术综合研究所任研究科学家， 1995年2月加入香港中文大学自动化与计算机辅助工程系，从事教学和科研工作，现为该系教授，博士生导师，机器人控制实验室主任。2001年10月，他被聘为国防科技大学特聘教授，博士生导师，香港中文大学与国防科技大学智能感知系统联合研究中心主任。他也是北京理工大学，中国科学院沈阳自动化研究所兼职教授。

2017年11月，就任香港中文大学卓敏机械与自动化工程学教授。

刘云辉教授主要从事机器人，自动化技术和信息科学等领域的研究工作，是国际知名机器人和自动化技术专家，国际电子电机工程师协会(IEEE)高级会员，日本机器人学会会员，中国自动化学会机器人专业委员会常务理事，机器人和自动化领域国际权威杂志IEEE机器人与自动化(IEEE Transactions on Robotics and Automation) 编委。他在国际著名专业期刊和国际会议上发表学术论文100篇以上，并获得日本机器人学会1994年度和1998年度最优秀论文奖，IEEE 2001 Int. Conf. on Robotics and Automation视觉领域最优秀论文Finalists, IEEE Electro/Information Technology Conf.优秀论文奖等国际奖。在日本留学和工作期间，他参加了三菱电机火力发电智能控制系统的开发，日本国家大型计划核电厂自动维修的研究和开发工作。他开发的医疗搬运机器人已经在香港威尔斯亲王医院得到应用，代替护士完成各种运送工作。刘教授的研究得到了中国自然科学基金，国家863高新技术发展计划，香港研究资助局，日本科技部和通商产业部，以及中国，日本和香港工业界的广泛资助。