天启七年（1627年），河南宝丰县秀才牛金星中了举人，他为人质朴，性喜读书，自称通晓天官、凤角及孙、吴兵法，以刘伯温自许。其在陂北里有田，平日设馆授徒，过着仅足衣食的生活。本来他的生活可能是接着去考取进士，最后做官，也可能在当地做一个衣食无忧的举人。但这样的生活轨迹在崇祯十四年（1640年）被打破。崇祯十四年初，李自成率农民军攻克洛阳，杀明福王朱常洵，并没收福王府中金银财货和大批粮食、物资，发布告示大赈饥民。在李岩的引荐下，牛金星进入李自成幕府，并开始为其出谋划策，建议“少刑杀，赈饥民，收人心”。
崇祯十六年（1643年）十月，李自成攻破潼关，杀死孙传庭，占领陕西全省。次年一月，李自成在西安称帝，国号大顺，改西安为西京，封功臣以五等爵。同时，更定政权机构，改内阁为天佑殿，设大学士平章军事，牛金星被封为天祐殿大学士。崇祯十七年三月，李自成攻克北京，进京后，牛金星立刻就被荣华富贵冲昏了头脑。
他热心的是以宰相弄权，心胸狭窄排斥异已，并讨论登极礼仪，建政设官迎来拜往，教习登极仪式，不断劝李自成即位。他身穿玉带蓝袍圆领，手里摇着用洒金写有“内阁”字样的折扇，坐着八抬大轿，俨然一派太平宰相的风度。受其影响李自成入住紫禁城之后，以为拥有天下指日可待，未能对时局采取正确决策，不去巩固政权，而是封宫女窦美仪为妃，定于四月二十日登基为皇帝，改元义兴元年。
但他的美梦随着吴三桂的不愿归顺而在一点点的破灭，1644年4月13日，李自成率军赴山海关讨伐吴三桂，由于轻敌且行军缓慢，李自成失去了攻克山海关的先机，四月二十一日，李自成与吴三桂进行一片石战役，由于多尔衮率清军入关支援吴三桂，数日后李自成军大败，四月二十六日，李自成逃到京城，仅剩三万余人，四月二十九日，李自成在武英殿称帝，封妻高氏为皇后。但次日就逃往西安，由山西、河南两路撤退，并在临行前火烧紫禁城和北京的部分建筑。而在此危机关头牛金星却进谗言让李自成杀了能进谏忠言的制将军李岩，李牟兄弟，使大将刘宗敏气急出走，加速了大顺政权的分裂与失败。顺治二年（1645年）5月17日，李自成在湖北通城县九宫山遭村民误杀。
陕西的李自成行宫
李自成死后，牛金星与其子牛佺投靠清廷为官，牛佺官任黄州知府。牛金星在明朝官绅中名声极坏，清廷不便安排其职务，顺治九年（1652年），老死于牛佺官署中。