Gia tộc của Lưu Vũ Chu có nguồn gốc từ quận Hà Gian (河間, nay gần tương ứng với Bảo Định, Hà Bắc). Đến đời cha ông là Lưu Khuông (劉匡) thì gia đình di cư đến Mã Ấp (馬邑, nay thuộc Sóc Châu, Sơn Tây). Mẹ của Lưu Vũ Chu mang họ Triệu. Lưu Vũ Chu là người kiêu dũng, giỏi bắn cung, ông thường giành thì giờ giao hảo với hào kiệt. Kì huynh Lưu Sơn Bá (劉山伯) thấy vậy không hài lòng, và quở trách, "Mày không chọn người mà giao du, kết cục sẽ diệt tộc đó." Do đó, Lưu Vũ Chu rời khỏi gia đình và đến đông đô Lạc Dương, tại đây Lưu Vũ Chu phụng sự dưới trướng của thái bộc Dương Nghĩa Thần. Đến khi Tùy Dạng Đế tiến hành chiến dịch tiến công Cao Câu Ly, Lưu Vũ Chu lập được quân công nên được phong làm hiệu úy.

Lưu Vũ Chu sau đó trở về gia đình và giữ chức Ưng Dương phủ hiệu úy. Khi đó, thái thú Vương Nhân Cung (王仁恭) là một kẻ tham ô và không chăm lo cho dân nghèo, ông ta ấn tượng với danh tiếng của Lưu Vũ Chu trong quận, vì thế đã cho Lưu Vũ Chu thống lĩnh đột quân canh gác cho mình. Tuy nhiên, Lưu Vũ Chu lại tư thông với một thị nhi (nữ tì) của Vương Nhân Cung, ông sợ sự việc nếu bại lộ thì sẽ bị trừng phạt. Do đó, Lưu Vũ Chu nghĩ ra kế nói với người trong quận rằng Vương phủ doãn đóng kho lương không thương xót bách tính đói khổ, dân chúng bị kích động nên đều trở nên phẫn uất. Sau đó, Lưu Vũ Chu cáo bệnh, song khi hào kiệt làng xóm đến thăm hỏi, ông lại thiết tiệc họ và tuyên bố ý định muốn nổi dậy, các hào kiệt đều đồng ý theo ông.

Vào mùa xuân năm 617, ông cùng Trương Vạn Tuế (張萬歲) và hơn 10 người khác chờ lúc Vương Nhân Cung thị sự, chém chết Vương Nhân Cung. Người dân trong quận quy phục, và ông mở kho phát chẩn lương thực cho người nghèo khổ. Lưu Vũ Chu tập hợp được khoảng một vạn lính và tự xưng là thái thú, khiển sứ đến Đông Đột Quyết xin nương cậy.

Các quan lại ở quận Nhạn Môn (雁門, nay gần tương ứng với Hãn Châu, Sơn Tây) lân cận là Trần Hiếu Ý (陳孝意) và Vương Trí Biện (王智辯) đã đem quân tiến công Lưu Vũ Chu. Lưu Vũ Chu hợp quân với Đông Đột Quyết chống trả, giết chết Vương Trí Biện và buộc Trần Hiếu Ý phải chạy trốn. Trần Hiếu Ý chạy về Nhạn Môn, bị bộ nhân giết chết, dâng thành hàng Lưu Vũ Chu. Sau đó, Lưu Vũ Chu chiếm quận Lâu Phiền (樓煩, nay cũng thuộc Hán châu) và cướp phá Phần Dương cung (汾陽宮) -- một trong nhiều cung điện phụ mà Tùy Dạng Đế cho xây khắp đế quốc—bắt các cung nhân củ triều Tùy và giao họ cho Thủy Tất khả hãn A Sử Na Đốt Cát Thế, đổi lại, Thủy Tất khả hãn lấy ngựa báo đáp Lưu Vũ Chu. Lưu Vũ Chu công chiếm quận Định Tương (定襄, nay gần tương ứng với Hô Hòa Hạo Đặc, Nội Mông). Thủy Tất khả hãn lập Lưu Vũ Chu làm "Định Dương khả hãn" (Dương là họ của hoàng tộc triều Tùy.) Thủy Tất khả hãn cũng ban lang đầu đạo (cờ đầu sói) cho Lưu Vũ Chu.

Sau đó, Lưu Vũ Chu xưng đế, lập thê là Tự thị làm hoàng hậu, cải niên hiệu là "Thiên Hưng", cho vệ sĩ Dương Bộc Niệm (楊伏念) làm "tả bộc xạ", phong muội tế (em rể) Uyển Quân Chương (苑君璋) làm "nội sử lệnh". Vào mùa xuân năm 619, Thủy Tất khả hãn dường như đã lên kế hoạch tiến hành một cuộc tấn công lớn vào Trung Nguyên, yêu cầu Lưu Vũ Chu và Lương Đế Lương Sư Đô (một thủ lĩnh nổi dậy khác) đến hợp quân, song Thủy Tất khả hãn đã qua đời sớm nên người Đột Quyết đã từ bỏ chiến dịch.