上任後，他走村串戶，實地考察，遍訪全縣山水民情。訪察途中，心存兩大疑問：一是所經山川，所有小塊田地均荒涼閒置，無人耕種，山區高寒地帶，不見蕎麥糜谷；二是在田間勞作者俱是男子，竟無一個女子。經仔細盤問，才得知欒城有不準種小塊田地，不懂種蕎麥糜谷，女人不下地、不織紡的陋習。劉三元分析了欒城的山川、氣候等條件，萌生了“為官一任，造福一方”之志，決心使欒城“地盡其利，人盡其力”。回到縣衙，他制定了“引進蕎麥糜谷宜土耕種、倡導紡花織布家無閒人”的治縣方略。
劉三元從家鄉平遙帶來蕎麥，親手將種植的方法、經驗教給縣丞、主簿、典史等衙內吏員，然後分里包村，親教欒城百姓利用荒廢的小塊田地種植蕎麥糜谷。劉三元的夫人也組織工匠自製紡車，親教婦女紡花織布，使過去沉寂了千年的欒城山鄉蕎麥飄香、紡車鳴唱、布機札札、笑語串串。沒過幾年，欒城出現了男耕女織、野無曠田、地盡其利、人盡其力的景象。劉三元還下令撫恤殘孤，開穀倉救濟貧困，捐薪俸獎善懲惡，備兵械警戒盜匪。欒城從此境安民富，政通人和，一派興旺。全縣百姓感激涕零，甚為擁戴。劉三元在欒城政績卓異，被擢拔為兵部車駕司主事升戶部郎中，外放升遷寧遠兵備道。劉三元離任赴京後，欒城人民深念其德，朝夕思之，在縣城南門外給他修建生祠一座，並勒像於石，永久紀念。
明崇禎十六年（1643），劉三元在寧遠任職時，因父親去世，回到平遙老家，居家守孝。恰遇清兵入關，統治中原，圍攻平遙。劉三元作為明朝遺老，被民眾推舉為首領，率兵民抗清。失利後逃亡，被迫背井離鄉，隱姓埋名，如孤雲野鶴，週遊各地。一日，游至欒城舊治，感慨萬千。正遇民眾設香火、陳牲禮、張樂鼓，在其生祠前舉行賽會。他在人群中正在觀望，忽被一位老者認出，跪拜於地。訊息一經傳開，欒城民眾歡騰雀躍，爭先恐後地前來叩拜這位日思夜想的曾經的知縣大人。自此，應眾民懇求，劉三元留棲祠中，由百姓輪流供養。
劉三元成了欒城之民，躬親民事，與欒城百姓朝夕相處，直至卒於欒城。
