Tháng giêng năm thứ hai mươi bốn niên hiệu Chí Chính triều nhà Nguyên (công nguyên 1364), Chu Nguyên Chương lên ngôi làm Ngô Vương, qua sự khuyến khích của Lý Thiện Trường và Từ Đạt, và cử Lý Thiện Trường làm Tả tướng quốc, Từ Đạt làm Hữu tướng quốc, Lưu Cơ làm Thái Sử Lệnh. Lưu Cơ do tinh thông thiên văn, sau khi được cử làm Thái Sử Lệnh, bèn dựa trên cơ sở “Lịch thụ thời" của triều nhà Nguyên, tu chỉnh lại lịch pháp, đặt ra “Lịch đại thống", và được ban hành vào năm thứ nhất sau khi Ngô Vương tấn thăng Hoàng đế, và trở thành lịch pháp suốt cả triều đại nhà Minh. Do năm đó là năm mậu thân, nên được gọi là "Lịch đại thống mậu thân”. Lúc bấy giờ, chính quyền do Chu Nguyên Chương xây dựng đã biến chất. Chu Nguyên Chương từ một đại biểu của giai cấp nông dân, đã chuyển biến thành đại biểu của giai cấp địa chủ phong kiến. Trong một dịp Chu Nguyên Chương nằm mộng, bèn định giết một toán tù nhân để hóa giải cơn ác mộng trên. Lưu Cơ từ quan điểm hòa hoãn mối mâu thuẫn giai cấp, đã lấy cớ giải mộng khuyên Chu Nguyên Chương nên ngưng lại việc hành hình số tù nhân đó, để tránh tình trạng lạm sát những người vô tội. ông giải thích giấc mộng của Chu Nguyên Chương là sẽ "được kẻ sĩ, cũng như được nhiều hiền tài". Chẳng bao lâu, Châu Hải Ninh quy hàng, Chu Nguyên Chương cho rằng đấy là sự ứng nghiệm của giấc mộng, nên giao số tù nhân mà nhà vua định hành hình cho Lưu Cơ xử lý. Lưu Cơ đã thả hết số phạm nhân này. Năm thứ hai mươi tám niên hiệu Chí Chính (công nguyên 1368), Chu Nguyên Chương xưng đế và chính thức xây dựng triều đại nhà Minh, thay niên hiệu gọi là Hồng Võ, định đô tại Nam Kinh. Lý Thiện Trường, Từ Đạt từ chức Tướng quốc đổi thành chức Tả hữu Thừa tướng. Lưu Cơ cử làm Ngự Sử Trung Thừa kiêm Thái Sử Lệnh. Tại buổi đại lễ đăng cơ cửa Chu Nguyên Chương, Thái Sử Lệnh Lưu Cơ thay mặt hoàng đế đọc chúc văn. Và, trong khi Hoàng đế phong chức cho các công thần thì Lưu Cơ là người đọc bản sắc phong của Hoàng đế. Trong những năm Long Phượng, quân đội của Chu Nguyên Chương không ngớt mở rộng, biên chế không thống nhất nhau. Sự xưng hô của tướng tá cũng rất hỗn loạn. Sau khi Chu Nguyên Chương xưng Ngô Vương, từng xuống lệnh dựa vào cấp chỉ huy như Thiên Hộ, Bá Hộ, Tổng Kỳ, Tiểu Kỳ để biên chế lại quân đội có hiệu quả, tăng cường sức chiến đấu cho toàn quân. Đến năm Hồng Võ nguyên niên (1368), dựa trên cơ sở Lưu Cơ lại "tâu lập Quân Vệ Pháp", tức ở những địa phương quan trọng được đặt Vệ, những địa phương kém quan trọng hơn thi đặt Sở, "từ Kinh Sư cho đến quận huyện đều được đặt Vệ và Sở". Đại để quân số đông 5600 người thì đặt một Vệ, vị trưởng quan gọi là chỉ huy Sứ, Quân số 1120 người thì gọi là Thiên Hộ Sở, vị trưởng quan gọi là Thiên Hộ. Dưới Thiên Hộ Sở đặt Bá Hộ Sở, và Tổng Kỳ, Tiểu Kỳ, lấy Đô Chỉ Huy Sứ Ty làm cơ cấu quân sự tối cao tại địa phương, đã tăng cường và củng cố quyền lực thống trị của vị Hoàng đế phong kiến triều nhà Minh. Sau mấy mươi năm chiến loạn giữa quần hùng, đời sống của nhân dân vô cùng đồ thán, quốc gia suy sụp, bá tánh khốn đốn, vậy cần phải cấp bách để cho dân được nghỉ ngơi. Vì muốn cho bá tánh được sống yên, Chu Nguyên Chương lại hỏi về phép cai trị đất nước với Lưu Cơ. Lưu Cơ đáp: - Sau những ngày tuyết sương, tất nhiên phải đến ngày Xuân ấm áp. Hiện nay uy quyền của đất nước đã được củng cố, vậy phải dần dần có phép cai trị khoan dung. Vì đời sống của người dân phải được chăm sóc một cách nhân ái, cho nên phải lấy lòng nhân để cai trị dân. Từ các triều đại Tống, Nguyên, pháp chế tuy có nhưng thực ra cũng như không, buông lỏng quá lâu ngày. Giờ đây trước hết cần phải chỉnh đốn kỷ cương, ban hành pháp điển, rồi mới có thể thi hành việc cai trị nhân ái được. Lưu Cơ lấy tư tưởng "Nhân chính" truyền thống của Nho gia để làm cơ sở lý luận cai trị nước. Ông cho rằng phép cai trị đất nước, phải dùng song song một thể chế cai trị nhân đức, đi đôi với việc dùng hình pháp để răn đe, nhưng phải lấy cai trị nhân đức làm chủ đạo. Trước tiên, ông phản đối dùng phương thức hung bạo, tàn nhẫn, mà đối với bá tánh phải có lòng nhân ái. Đồng thời ông cho rằng cai trị theo thể chế nhân đức, cũng cần phải có pháp luật nghiêm minh để đảm bảo. Mục đích sử dụng hình pháp là để không sử dụng hình pháp nữa. Một khi có pháp luật thì phải tuân theo. Việc chấp pháp phải nghiêm minh để cho mọi người đều sợ, để từ đó xây dựng trật tự thống trị của chế độ phong kiến. Ông đã có những chủ trương rõ ràng như thế về mặt lý luận, và trong thực tế, ông cũng làm đúng như vậy. Ông đã giúp Chu Nguyên Chương thẩm định lại một số án oan đã tồn đọng từ nhiều năm qua, và đã tiến hành minh oan rửa nhục cho những người đó. Ông cũng đã cứu một toán tù nhân thoát chết, do nhà vua nằm mộng nên muốn giết họ để giải tỏa cơn ác mộng của mình như đã nói trên. Từ đó, Thái Tổ ủy thác cho Lưu Cơ xử lý tất cả những vấn đề tội phạm quan trọng. Lưu Cơ cố gắng xét xử họ bằng một thái độ khoan dung để lung lạc và ổn định nhân tâm. Ngoài ra, Lưu Cơ còn xin với Hoàng đế chấn chỉnh lại pháp luật, định ra những pháp chế mới, để ngăn chặn việc tùy nghi xử tội lương dân, và cũng nghiêm cấm việc lạm sát những người vô tội. Chu Nguyên Chương xuống lệnh thực thi những đề nghị của Lưu Cơ. Ít lâu sau, Lưu Cơ đã thảo ra nhiều pháp lệnh và trở thành cơ sở để sau này triều đại nhà Minh đưa vào đó mà lập pháp. Bộ "Đại Minh Luật” được ban bố hồi năm thứ ba mươi niên hiệu Hồng Võ, chính là dựa trên cơ sở của nhưng pháp lệnh này để tu chỉnh hoàn thiện. Tháng tư lịch nhà Hạ, tức niên hiệu Hồng Võ nguyên niên (1368), trong dịp bắc phạt Trung Nguyên thắng lợi, chiếm được Sơn Đông và Hà Nam. Chu Nguyên Chương từ Ứng Thiên (Nam Kinh) đi Biện Lương (Khai Phong), để đại hội các tướng bắc phạt, nghiên cứu chiến cuộc và bố trí những bước đánh chiếm Đại Đô của nhà Nguyên. Nhà vua để Lưu Cơ và Lý Thiện Trường ở lại giữ Nam Kinh. Lúc bấy giờ Lưu Cơ đang giữ chức Ngự Sử Trung Thừa, tức một trưởng quan tại Ngự Sử Đài, có nhiệm vụ lãnh đạo các giám sát ngự sử để phát hiện những hành vi phi pháp, trái luật của các quan lại. Lưu Cơ cho rằng cuối hai triều Tống và Nguyên do kỷ cương không nghiêm, nên dẫn đến bị mất thiên hạ. Do vậy ông yêu cầu các ngự sử quan phải chú ý phát hiện những hành vi trái pháp luật của quan lại, và phải thực tâm tra xét để xử lý. Bất luận người vi phạm pháp luật có quyền thế đến đâu, có chức tước cao đến đâu cũng mặc. Nếu những cận thần có nhiệm vụ túc trực bảo vệ triều đình mà phạm pháp, thì ông trước tiên báo cáo lên cho Hoàng Thái Tử biết, rồi mới định theo pháp luật mà trị tội. Mọi người đều khiếp sợ trước việc chấp pháp nghiêm khắc của Lưu Cơ, nên không dám vi phạm pháp luật một cách bừa bãi. Trong thời gian này, Lý Thiện Trường có một người thân tín là Lý Bân đang giữ chức Đô Sự tại Trung Thư tỉnh bị phạm pháp và bị kết tội chém. Lý Thiện Trường bèn ra mặt xin tội cho Lý Bân, nhưng Lưu Cơ với một thái độ nghiêm chỉnh, chấp pháp bất vị thân, sẵn sàng đón nhận nguy hiểm, không để ý gì tới chuyện xin xỏ của Lý Thiện Trường. Do đây là một sự kiện quan trọng, nên Lưu Cơ theo thông lệ viết sớ báo lên với Chu Nguyên Chương, chờ hoàng đế phê chuẩn xong thì mới đem Lý Bân ra chém. Nhưng sự kiện này đã khiến Lý Thiện Trường có sự đố kỵ với Lưu Cơ. Lý Thiện Trường nguyên là người được Chu Nguyên Chương thu nhận đưa vào làm thư ký Mạc phủ sau khi ông cử binh chẳng bao lâu. Thời Chu Nguyên Chương xưng vương nước Ngô, Lý Thiện Trường được cử làm Tả tướng quốc. Sau khi Chu Nguyên Chương xưng đế, ông ta lại được cử làm Tả thừa tướng. Trong triều đình, ông ta luôn luôn là người đứng hàng đầu. Sau khi Lý Bân bị giết, Lý Thiện Trường có ý trả thù. Vào tháng bảy nhuận, khi Chu Nguyên Chương từ Khai Phong trở về Nam Kinh, Lý Thiện Trường đã cực lực phỉ báng Lưu Cơ. Năm đó trời hạn hán, ông ta bảo do Lưu Cơ chém Lý Bân dưới đàn đảo võ, nên trời cho là bất kính, tức giận, khiến cuộc đảo Võ mất hiển linh. Ngoài ra, một số người khác vốn đang bất mãn Lưu Cơ, cũng đua nhau nói xấu ông. Chu Nguyên Chương dựa theo sự mê tín để xem xét nguyên nhân trời hạn hán. Khi nhà vua hỏi đến Lưu Cơ, ông bèn tâu: - Trong chiến tranh có nhiều chiến sĩ chết, vợ con và thân nhân của họ hoặc thất lạc hoặc sống cô quả không được ai lo lắng tới. Cho nên âm khí và oản khí xông lên trời xanh. Đó là một nguyên nhân. Kế đó, bao nhiêu công thợ đã chết phơi thây, rã xác ngoài đồng nội, không ai chôn cất. Đó là nguyên nhân thứ hai. Những quan viên đầu hàng tại vùng Giang Triết, đều bị đưa vào trong quân đội, để cả nhà họ đời này qua đời khác phải xung quân, sống trong những Vệ, Sở cố định, khiến họ luôn luôn oán trách. Đó là nguyên nhân thứ ba. Với ba nguyên nhân trên, kết hợp lòng oán hận của con người và lòng oán hận của trời, nên dẫn đến trời không mưa. Vậy, mong bệ hạ nên xử lý những việc trên cho tốt hơn. Chu Nguyên Chương tiếp nhận ý kiến của Lưu Cơ, ban bố ngay một số biện pháp khẩn cấp. Nhưng sau mười mấy hôm trời vẫn không mưa, khiến Chu Nguyên Chương giận dữ. Trước tình hình đó, Lưu Cơ cảm thấy hết sức lúng túng. Cho nên nhân dịp bà vợ của ông qua đời, ông lấy lý do phải về quê để lo việc ma chay cho vợ, bèn cáo lão từ quan.