叙事特征
刘慈欣承袭了古典主义科幻小说中节奏紧张，情节生动的特征，并且在看似平实拙朴的语言中，浓墨重彩地渲染了科学和自然的伟大力量。刘慈欣擅长将工业化过程和科学技术塑造成某种强大的力量，作品中洋溢着英雄主义的情怀。例如小说《流浪地球》，该作品综合了自然灾害、技术进步和人类生存的宇宙困境等宏大的主题，地球因为太阳的毁灭而必须进行逃离太阳系的悲壮远征。
刘慈欣还擅长使用“密集叙事”和“时间跳跃”的手法，在作品中无限加快叙事的步伐，使读者的思维无法赶超作者的思维，并在叙事过程中留下大量的时间空缺，将未来发展呈现到读者面前的机会，产生一种独特的“沉舟侧畔千帆过”的历史感。如在《地火》、《吞噬者》和《梦之海》等小说中，密集化的叙事提高了作品的可读性，还增加读者对大自然瞬息万变的感受，增加了读者对科学技术应付危机的信心。
人物与情感
刘慈欣的小说继承了古典科幻小说中的人物塑造规律，即无论是技术专家还是普通人，他们一定要在社会的变革中被推向改变世界的精英舞台。如在《光荣与梦想》中，主人公辛妮用生命的代价点燃了光荣和梦想。作品中最为动人的部分是最后的马拉松比赛，作者运用回忆和现实交叉进行的方式，将主人公的精神力量推到极致。
在情感线索方面，刘慈欣与其他新生代作家的主要区别是，他从未将男女关系置于情感的中心位置（虽然他的男女情感写的细腻而成熟）。当爱情与理想、国家发生冲突时，许多人物都选择了后者。同时，带有强烈为科学献身的古典主义思想的情节，在多部作品中都有突出的体现。如《带上她的眼睛》中，女主人公虽然面对永远被封闭在地心深处的残酷现实，仍然展示出动人心魄的大义和大勇。
刘慈欣还对科幻小说中以描述美好的爱情衬托故事的基本程式进行了全面改变。在他的小说中，爱情永远和无奈联系着。《思想者》中的有情人，在相隔几十年的人生旅途中，不断地回到同一个地点，寻找同一种梦幻中的感情。然而，在现实世界，他们各自却无奈地生活于各自的天地之中。时间给这个爱情故事一种强烈的沧桑感，而两个人所心心相印的那种宇宙的智慧，却以无限的长程反衬出人生的渺小。这样复杂的“情感—主题交叉设计”，在过去的科幻作品中，还相当少见。刘慈欣不但更新了男女关系，还挖掘出一个古典科幻小说中最重要的人物关联，并将它赋予新的价值。
描写与创意
在描写手法方面，刘慈欣的作品常常具有英美“太空歌剧”或苏联经典科幻那样的文学特征，作品场面宏大，描写细腻，甚至令人感受到托尔斯泰式的史诗气息：对于大场面的正面描写、对善恶的终极追问、直面世界的复杂性、但同时保存对简洁真理的追求等。在《死神永生》中，刘慈欣这样描绘太阳系的末日：一个状如小纸条的仪器“二向箔”更改了时空的基本结构，整个太阳系开始从三维跌落到二维平面之中，逐渐变成一幅巨细靡遗的图画。这段描述在令人感到宏大辉煌、难以把握的同时，又有着在逻辑和细节上的认真，令读者感到无比的震撼。
刘慈欣作品中的许多科幻形象富有人文主义和理想主义的色彩。小说《诗云》中，有着超级技术能力、视人类为虫子的外星人，在毁灭地球文明之际，意外地迷恋上中国人的旧体诗，于是化身为“李白”，穷尽太阳系的能量来创作、储存由所有汉字排列组合而成的一切“诗歌”。小说中的宇宙形象在展现超人类的巨大尺度的同时，也包含着浓郁的人文色彩，它兼有着人类不可企及的宇宙的崇高感，与凭借艺术方式本身传达出来的人文主义信念。这一形象在科学和人文两方面，都是超越现实的想象力产物，它既令我们对头顶的星空产生无限敬畏，也对人类文明自身保持理想主义的信念。
刘慈欣常常传达给作品一种强烈而独特的怀旧感，其作品中科幻形象的设定常常带有强烈工业色彩。巨大的地心空洞、宏伟的地球发动机、壮烈的月球粉碎，这些具有浓郁工业化色彩形成独特的粗野的美，在他的小说中被强烈地渲染着。除了对经典技术的怀恋，过往的生活的也在刘慈欣的作品中刻下了痕迹。在他的一些作品中，苏联歌曲、凡尔纳小说、《动脑筋爷爷》、五彩卡通片与“核能”“导体”这些现代味道浓厚的词汇熔于一炉；而冷冻身体、向时间移民等经典的科幻主题与把地球人当成“菜人”（意为可食用的人类）这样的奇思妙想并行不悖。