「治污壓力很大。」前述熟知山西政情人士透露，劉向東調往「看似不相關的環保系統」任職是「天時地利人和」，一方面因特殊原因，環保廳長一職被空缺出來，而省里需要一個鐵腕人物開拓局面，劉早年的工作履歷，敢想敢幹，「不怕得罪人」的個性被認為是合適人選。
2008年，國家環保總局「升格」為環保部，次年5月，劉向東也從此前的山西省環保局長調整為山西省環保廳長。2013年3月，劉向東卸任山西省環境保護廳黨組書記、廳長。2013年7月，劉向東擔任山西省委巡視一組組長，負責巡視煤炭重鎮呂梁。至少在2014年4月，他還以該職務向呂梁做巡視工作反饋。
鐵腕治污被稱「環保英雄」
劉向東主導的查處環境違法問題、關停污染企業、區域限批系列行動，鐵腕治污受普遍好評。
從商貿相關部門任職超17年後轉入環保部門，劉向東並不認為自己是外行。他在2006年對一位專訪他的記者說，「許多人都認為我是外行，但其實我雖然從事經濟工作，但我對環保並不陌生，而且對山西的環保有很深的認識。我的第一個工作是記者，將近十年的時間裏，我作為工業記者，對山西經濟產業非常熟悉，而這些產業就是污染源。後來又擔任過商務廳、供銷社及忻州地區任副書記，可以說，一直在山西的經濟的一線工作，對山西省的經濟及產業是非常熟悉，而山西省的經濟被人稱為黑色經濟，你說我怎麼能不熟悉環保。」
2006年曾採訪劉向東的記者回憶道：「劉向東敢干敢說，善用媒體宣傳造勢，他並不迴避自己宣傳的痕跡。」
「2006年3月29日，是劉向東走馬上任的第一天，當日下午，召開了局務會議。會上他提出了25個大問題、60個小問題，都涉及環保深層次問題。之後，他帶領環保團隊，深入多家企業、60多個重點縣，拍成了電視紀錄片《憂患家園》，讓觀眾目睹了山西觸目驚心的污染狀況。面對眼前尷尬的生態環境，他選擇了背水一戰。」
劉向東「新官上任三把火」，第一把火其實是先從環保系統內部燒起。「我第一次開會，來的人就很不齊，於是要求局裏開始整頓紀律，一支沒戰鬥力的隊伍又怎麼能把工作干好，之後對環保隊伍自身的要求也提了很多，現在環保隊伍的風氣與原來大不相同，上下班都打卡，一改以前簽到時的拖沓。」他曾表示。
「震盪山西」
多數媒體不吝於用「鐵腕」和「困境突圍」形容劉向東和他的治污風暴，並稱其「震盪山西」。
在此期間，劉向東掀起「摸污染家底」行動。山西率先在全國搞起「百縣千企萬民環境意識調查」，從2006年6月至9月間，「來自各個行業、各個崗位的人員紛紛參與了調查，實際參加人數達到9411人。經調查。山西省環保局將這些分析結果以專題的形式公佈於眾。」
媒體人出身的劉向東也一改此前「迴避媒體的態度」，「半年來，山西省各媒體及新華社、《中國環境報》、《環境保護》雜誌等發表有關山西環保的文章近百篇，創造了歷年來的最高。網上搜索」山西環保劉向東「，更會搜索到萬餘條相關信息，山西環保真正引起了全國的高度關注。」其後劉向東主導的查處環境違法問題、關停污染企業、區域限批系列行動均受到普遍好評。他需要直接觸及的地方政府的利益。
劉向東曾在接受電視採訪時回應環保部門對違規項目監管不力時直言：這個貓呢是地方政府養的，能不能捉耗子，捉幾隻是由政府部門說了算，不是環保部門說了算。
2006年10月12日，劉向東分别致信時任臨汾市市長李天太、時任陽泉市市長白雲、時任大同市市長豐立祥，分析了三市造成嚴重污染的原因，要求三市儘快摘掉重污染城市的帽子，並對今後的環保工作提出了建議。
上述三市市長在接到信後迅速回應並表態「要進一步加大工作力度，特別是空氣質素的改善。」聚光燈下，劉向東以環保官員的身份獲全球公益慈善聯盟最高獎項——金質勳章。「他的形象很好，很被看好。」一位知情人稱。
被指違規提拔手下官員
劉向東並未如許多人所料仕途更進一步。他在7年時間，連任兩屆環保廳廳長。山西環保廳內部人士認為，對於劉來說，這樣的局面並不讓他「滿意」。但另一位熟知當地政情的人士認為，在山西這個能源大省，環保廳廳長是一個重要的實權部門，其核心程度僅位列於財政、發改、國資等部門之後。環評審批被認為是環保廳最關鍵的一項職權。根據相關規定，發改委所批覆項目的前置條件是完成環評。環評不通過者不能上馬。
在劉向東主政環保廳的後期，治污風暴趨於平靜。但有關他違規提拔手下官員、在重點項目中權力尋租的舉報卻不絕於耳。
一個資金體量高達8.5億元的「污染源自動監控中心」進入公眾視野。山西省環保廳2008年3月3日在其官網上轉載的消息稱，「我省創新環境管理手段，總投資8.5億多元，全國第一個『監控合一』的省級污染源自動監控中心日前在我省建成並投入使用，這徹底改變了在線監控只監不控的尷尬局面。」一位山西環評系統人士向澎湃新聞表示，劉向東或涉該項目的違規操作而被查。
至今在網絡流傳的一則舉報稱，2008年，山西某環保公司承建的山西長治某垃圾處理廠項目，涉嫌編制虛假科研報告及虛假資產評估報告，「打着環保項目的幌子非法圈佔農田上百畝連商品房的建築用地也變相弄進來了。」該舉報提及了去年落馬的山西省環保廳原總工程師趙義和劉向東，稱企業通過中間人找到劉向東「要了環保補貼資金800萬元，劉向東吃回扣200萬元。」
