1938年10月，武汉陷落，长沙作为捍卫西南各省的门户，其军事战略地位愈显突出。对于侵华日军来说，攻陷长沙是其打击中国军队的抗战意志、迫使中国政府屈服的重要步骤。对于迁都重庆的国民政府而言，守住长沙比以往任何时候都更为迫切和重要。1939年9月，中日双方进行了第一次长沙会战，中国军队经过浴血奋战，击败了日军的攻势。1941年9月，不甘心失败的日军重新集结兵力，第二次向长沙进犯。中国军队立即展开部署，迎击来犯之敌。

时任暂编第八师十五团上校团长的刘世焱率部参加作战。在开战前动员会上，他慷慨激昂地告诉官兵：“军人的天职是保国卫民，养兵千日，用在一朝，各位要坚决、果敢、精诚团结，奋勇直前去歼灭侵略者，我和大家一定生死与共，直到战斗胜利。”

从9月17日起，日军主力在飞机、大炮以及舰只火炮的掩护下，强渡新墙河，中国军队凭借新墙河有利地形英勇阻击，在大量消耗敌人有生力量后，向右翼山地转移。

19日，日军抵达汨罗江北岸地区。第九战区立即布置汨罗江南岸防御，并集结部队，伺机自东南向西北侧击南进的日军。双方部队接触后，战斗进行得十分激烈。当时，刘世焱接到命令，立即率部赶赴前线。到达前线后，他迅速就地布防，并立即派人侦察敌情，做好随时阻击进犯日军的准备。当侦察兵发现日军部队向阵地移动时，刘世焱立即派出小股部队，连夜对敌人进行骚扰，极大地延缓了敌人推进。

日军于26日渡过捞刀河。26日迂回至长沙之南，27日下午该师团一部渡过浏阳河，以部分兵力于27日冲入长沙，并且以伞兵部队在东山一带空降，企图占据制高点，形势万分危急。

上级立即命令刘世焱率部队攻占东山制高点，全歼空降敌军。刘世焱接到命令后，不顾疲劳，立即率部队驰援东山。在兄弟部队的配合下，与占领制高点的敌人伞兵部队展开激战。经过奋勇拼杀，刘世焱率部队冲上制高点，将敌人的伞兵部队全歼，保证了阵线的稳定。

东山之战后，刘世焱又奉命率部赶赴长沙双溪桥、龙头铺一线阻击敌人。十五团赶到战场后，进犯的敌军主力也从正面发起进攻，双方随即展开激战。刘世焱率部刚打退了日军步兵的进攻，正待休整，不防日军骑兵部队又向十五团阵地发起了进攻。刘世焱率领官兵奋力抵抗，弹药几乎耗尽。不久，敌人步兵再次冲了上来。为防止优势兵力的敌人实施分割包围，刘世焱立即命令部队收缩战线，抢占东北山岗高地。面对敌人的疯狂进攻，十五团官兵誓死抵抗，且战且退，逐步向高地靠拢，并依靠地形优势，在刘世焱的指挥下，几次打退了敌人的进犯。

战斗中，刘世焱用望远镜观察，发现尚有部分官兵没能突围，于是率领战斗力最强的团直属部队冲入敌阵，解救被困官兵。激战中，刘世焱手臂不幸中弹，但仍坚持继续指挥，直到将被困官兵救出。他随即命令被困官兵撤退，自己率领团直属队在后阻击。不久，刘世焱又被敌人的子弹击中，血流如注。他一面裹伤再战，一面命令官兵拖住敌人，等待援军的到来。十五团官兵受到刘世焱的鼓舞，士气大振，继续和敌人激战，坚持到援军的到来。十五团不顾疲劳，和援军内外夹攻，全歼了日军一个联队的主力及骑兵大队，取得了战斗的胜利。而刘世焱却因受伤过重，英勇牺牲于战场。

2015年8月，刘世焱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。