1985年6月，高中毕业前夕，中国人民解放军第一飞行基地学校来依安一中招飞行员，他听说考上飞行员读大学不用花钱，还管吃管穿管用，就悄悄报考军校。父亲得知后，他对父亲说：“家里负担太重，当兵能省一大笔费用，”面对懂事的儿子，父亲感到欣慰。经严格考试和重重体检，最后一轮到齐齐哈尔市体检合格，他成为依安一中唯一被选上的飞行员，进入空军长春飞行学院。军校的四年，让刘伯明完成了从地方学生到军人、飞行员的转变，也让他学到了丰富的知识，养成了良好的军事素质。那段时间里，他特别爱读抗日战争、解放战争、朝鲜战争等方面的史料书籍，深切感受到了前辈英雄们的伟大事迹，也更加坚定了保家卫国的决心。1989年7月，他被分配到空军某基地，对飞行操作技能进行强化训练。
1990年9月，刘伯明加入中国共产党。是年，成为一名战斗机飞行员。那时，他所在师里的一个团飞歼8，一个团飞歼6，他主动向上级申请去飞歼8，领导考虑他飞行经验少，没有立即批准他的申请。但刘伯明相信天道酬勤，也深知要飞最先进的战机就必须要有最过硬的技术。训练中他主动“加码”，经过两年的刻苦训练，1992年12月，终于如愿以偿飞上了歼8。安全飞行1050小时，被评为空军一级飞行员。但他并不满足，经几年刻苦训练，无论飞行技能还是战斗机飞行员的作风养成，都有快速进步。在一次编队训练中，他曾遭遇飞机与鹰相撞的险情，在右侧机翼撞出一个大洞的情况下，他依然冷静地稳住驾驶杆，完成编队任务。
1996年，刘伯明听说了选招航天员的消息。他想，航天一定是一个充满挑战的事业，自己的性格遇事比较冷静，身体素质也不错，应该具备当航天员的基础，就第一时间报了名。后来，他顺利通过了体检、特检，1997年底，接到了被录取的通知，能够开辟一个全新的事业，他的心里非常高兴。1998年1月，经多年航天员训练，完成基础理论、航天环境适应性、专业技术等8大类几十个科目训练任务，以优异成绩通过航天员专业技术综合考核，刘伯明和其他13名战友一起加入到航天员大队，成为中国首批航天员。面对鲜艳的国旗，他们庄严宣誓：甘愿为祖国的载人航天事业奋斗终身!
执行飞天任务的航天员选拔是严格而残酷的，尽管14名航天员都具备了独立执行任务的能力，但神舟五号任务，只有一人能够实现飞天梦想。20__年，“神舟五号”飞船上天前，作为“神五”飞船首飞梯队队员刘伯明，在信心满满地备战神五时，突然听到母亲病故噩耗。母亲的去世让刘伯明沉浸在深深的悲恸之中。在长达半年的时间里，刘伯明始终郁郁寡欢。后来。刘伯明的妻子、战友也多次做他的思想工作，并带他做心理治疗。大约过了半年时间，他才从母亲去世的阴影中摆脱出来，他暗下决心，一定要更加刻苦学习训练，用最好的成绩告慰母亲在天之灵，回报领导和战友的关心帮助，并用加倍的努力，早日实现飞天梦想，回报母亲的恩情。
神舟六号载人飞行任务中，刘伯明虽然进入了备份乘组，却再次与飞天擦肩而过。虽然最终没能上天，但他没有气馁，选拔没有失败，只有认真总结提高，更加努力学习、刻苦训练，才能早日圆梦。与“神五”“神六”任务不同，备战神舟七号载人飞行任务时，新增了3个地面大型训练设备：模拟失重水槽、低压舱和出舱程序模拟器。学习训练的内容和强度成倍增加，刘伯明从难从严圆满完成训练任务，并取得优异成绩。20__年底，刘伯明被选入“神七”乘组。