李光弼是营州柳城人。他父亲李楷洛，本是契丹酋长，武则天时进入朝廷，累官到左羽林大将军，封爵蓟郡公。吐蕃侵犯河源，李楷洛率精兵击退了他们。
出征前，他对别人说：“敌人打败后，我不会回来了。”军队归来，他在路上去世了，赠官为营州都督，赐谥号叫忠烈。
李光弼严肃坚毅沉着果断，有出色的谋略。小时候喜欢嬉戏玩耍，擅长骑马射箭。开始任左卫亲府左郎将，多次升官后任左清道率，兼任安北都护，后任河西王忠嗣部下的兵马使。又任赤水军使。王忠嗣对他很好，即使老将都没人比得上。王忠嗣曾经说“：今后得到我的军队的人是李光弼。”不久，他继承父亲的封爵。后因打败吐蕃、吐谷浑的战功，升任云麾将军。朔方节度使安恩顺任命他为副使，任留后，喜爱他的才干，想将女儿嫁给他，他称病离职。陇右节度使哥舒翰欣赏他的节操，上奏让他回到了长安。
安禄山反叛了，郭子仪推荐他的才能，有诏任命为代理御史大夫，持符节任河东节度副大使，代行节度使权力，兼任云中太守。不久加封为魏郡太守、河北道采访使。李光弼率朔方军队五千人从土门出兵，向东援救常山，驻扎在真定，常山团练兵抓住叛军将领安思义归降。
从颜杲卿死后，常山郡成为战场，死尸遍地，李光弼祭奠哀悼他们，释放被叛军关押的人，给他们家送去丰厚的慰问品。
当时叛军将领史思明、李立节、蔡希德在进攻饶阳，李光弼得到了史忠义，没有杀他，却问他怎样抵敌，他回答说“：现唐军行军疲惫，遇敌抵挡不住，不如收兵守城，有胜利把握再出战。敌军攻击力强，但不能持久，再攻击他们就必胜。”李光弼说“：好。”就守城等待，第二天，史思明军队两万人攻城，李光弼的军队不能出城，就用硬弩手五百人射叛军，叛军退却了，转移到偏北处列阵。李光弼军出城在叛军南边，隔沱水列阵。史思明虽多次失败，但倚仗近处救兵，解鞍休息。
这天，攻饶阳的叛军五千人到了九门，李光弼探听到这事，率精兵，偃旗息鼓，乘叛军正吃饭时，突袭把叛军几乎杀光了。
史思明因害怕退兵了，暗中派军队切断了唐军的运粮路，马无草料，李光弼令将领率兵到行唐去运草料，叛军袭击抢夺草料，唐军依托门板抵抗，叛军夺不去。
遇上郭子仪复了云中，有诏命全军开出井陉，和李光弼会合在九门西边攻击叛军，史思明被打得大败脱身逃往赵郡，李立节被流箭射死了，蔡希德逃到了巨鹿。
收复了稿城等十个县，于是进攻赵郡。
有诏加封李光弼为范阳大都督府长史、范阳节度使。史思明从鼓城进入博陵，杀死了当地的官员。景城、河间、信都、清河、平原、博平六郡联合军队自卫，配合李光弼。李光弼猛攻赵郡，一天就攻克了它。兵将多掳掠，李光弼坐在谯门，收缴掳获的东西，全还给了居民，城中居民大喜。他又进军包围了博陵，没能攻克。又和郭子仪会合在嘉山进攻史思明，把他打得大败。李光弼认为范阳是叛贼巢穴，应先攻占，抄叛贼的老窝。但遇上潼关被攻破，就率军开回井陉。
唐肃宗登基，下诏命他率兵赶到灵武去，改任户部尚书、同中书门下平章事，所任节度职和过去一样。李光弼率景城、河间的五千军队进入太原。在这以前，节度使王承业军纪松弛混乱，侍御史崔众在太原统兵，常侮辱戏耍王承业，李光弼一向不满。到这时，有诏命崔众将军队交给李光弼。崔众一贯狂妄傲慢，见了李光弼只长揖，又不立刻交出军队，李光弼发怒了，将他拿下捆绑了起来，遇到朝廷使者到了，任命崔众为御史中丞。李光弼说：“崔众犯了罪，已经捆绑押到外面去了，现在只杀崔侍御史，如果使者宣读了诏书，我就杀御史中丞。”
使者把诏书藏着不敢拿出来，于是将崔众斩首示众，威名震动了全军。
至德二年(757)，史思明、蔡希德率领高秀岩、牛廷..率兵十万进攻李光弼。
当时精兵都去了朔方，部下士兵不到一万，大家建议加厚城墙来防守，李光弼说“：城墙周长四十里，敌军来了再修它，只会使我军疲劳。”于是拆居民房屋做成擂石车，每辆车用两百人起动抛石头，石头落地就砸死几十个人，敌兵被砸死十分之二。史思明造了一座飞楼，用木板遮蔽，垒土堆接近了城墙，李光弼派人从地下挖垮了土堆。史思明在城下设宴，命艺人到台上嘲笑指责皇帝，李光弼派人挖地道抓获了他们。史思明很害怕，把营帐移到远处，军队都看清地下才敢走路。李光弼又悄悄在敌营下挖坑，要让敌军陷进去，于是假装约定投降。到了约定时间，命士兵守城，派将校出城，像投降的人，史思明大喜。一会儿几千名叛军跌进了陷坑，城上击鼓呐喊，城中骑兵冲出乘机攻击敌军，俘虏杀死了上万敌兵。史思明害怕打败仗，就离开了，留下蔡希德进攻太原。李光弼派不怕死的士兵出城杀敌，杀头七万颗，蔡希德丢弃军用物资和粮食逃跑了。
当初，叛军来了，李光弼在城墙上设营帐休息，从官府门口经过时看都不看。
解围后，过了三天才回到府第。收复了清夷、横野等军。叛军偏将进攻好畴，攻破了大横关，李光弼追击打败了他们。
被加封为检校司徒，不久升任司空，封郑国公，食实封八百户。
乾元元年(758)，李光弼进京朝拜，皇帝下诏命朝中四品以上的官员到郊外迎接，升官兼任侍中。后参加九节度在相州包围了安庆绪，在邺城西边大战，打败了叛军。李光弼和众节度商议说“：史思明驻军魏州，想让我军懈怠，我军不如派兵紧逼他。他鉴于嘉山战败，定不敢轻易出战，那么安庆绪就可以擒获了。”
观军容使鱼朝恩坚持说不行。后来史思明来救援相州，李光弼抵御他，作战非常有力，杀死敌兵大致相当。遇上各节度使受惊溃逃，各自率军回辖区，一路抢劫，只有李光弼全军回到了太原。皇帝宽恕了众节度使战败的罪，任命李光弼兼任幽州大都督府长史，知诸道节度行营事。又代替郭子仪任朔方节度使。不久，任天下兵马副元帅。
李光弼率河东五百名骑兵奔赴洛阳，夜晚到达洛阳军营，并说叛军将进犯洛阳，应扼守虎牢关，率军东进至黄河边。发令招兵马使张用济，张用济害怕李光弼军纪严，命部将不要进兵。张用济只身进军营拜见，李光弼杀了他，命辛京杲代替他。又追赶都将仆固怀恩，仆固怀恩害怕了，在预定时间之前来了。
当时滑汴节度使许叔冀战败，投降了叛贼，史思明乘胜西进。李光弼督阵慢慢撤退，开往洛阳，对留守韦陟说“：叛贼刚打了胜仗，不能和他们硬拼，我想用计谋打败他们。但洛阳没有现成的粮食，破败狭窄难以守御，您认为应该怎样安排？”韦陟说：“增加陕州的军队，您退守潼关，可以长期坚守。”李光弼说：“两边兵力相当，寸土必争。现丢弃五百里地去守潼关，叛军得到领土，势力更大了。
不如转移驻守河阳，北边依托泽州、潞州，战胜就出击，战败就退守，内外呼应，叛军不能西进，这是像猿臂一样互相配合的态势。辨别朝廷的礼节，我不如您，谈军队胜败，您不如我。”韦陟无话对答。
判官韦损说：“洛阳是东都，您应守卫它。”李光弼说：“汜水、萫岭都是叛军进攻的道路，你能都守住吗？”于是命河南道让官吏躲避叛军，城里不要留人，督促军队搬运作战防御的物资。
史思明到了偃师，李光弼率全部军队赴河阳，亲自率五百名骑兵做后卫。
叛军的游骑到了石桥，众将说：“顺城墙向北走呢？还是对着石桥走呢？”李光弼说“：对着石桥走。”黄昏时分，兵将持火把缓缓前进，阵形严整，叛军不敢逼近。
进入河阳三城后，军队有两万人，只有十天的军粮，李光弼和士兵同甘共苦。叛军怕李光弼，不敢进驻东都宫殿，驻军白马祠，挖壕沟、筑城墙防守。叛军进攻李光弼，李光弼和叛军在中贖西边会战，打败了叛军，杀头一千颗，叛军淹死的很多，活捉了五千人。开始，李光弼对李抱玉说“：你能为我守两天南城吗？”李抱玉说“：过了这时间怎么办？”他回答说“：放弃它。”李抱玉答应了，就骗叛军说：“我们粮食吃光了，明天将投降。”叛军高兴了，收兵等待投降的时间。李抱玉修整好一切守备设施，就要求作战。叛军因被骗生气，猛烈攻城。李抱玉派伏兵夹攻，俘虏敌兵比自己的军队还多，叛军大将周挚退兵了。李光弼亲自率军修整中贖，筑壁垒挖壕沟。周挚放弃南城来攻这里，李光弼派荔非元礼据守羊马城作战，叛军大败。周挚招集军队再次杀来，和安太清共合兵三万进攻北城。李光弼收兵进城，登城..望后说：“敌军虽勇猛，但列阵后随意行动，不值得害怕，中午将打败他们。”于是出城作战，到中午没能获胜，他把众将叫来说：“敌军强大但能打败的原因是混乱。现我们用混乱的军队去攻击混乱的敌人，当然不能成功。”
他因此问道：“敌阵哪处最坚固？”回答道“：西北角。”他把郝廷玉叫来说“：给我率部队打败他们。”郝廷玉说“：我率领的是步兵，请求给我五百名骑兵。”他给了三百名。又问其次哪处最坚固，回答说：“东南角。”他把论惟贞叫来，论惟贞请求说“：我是蕃将，不懂步兵战法，请给我骑兵三百名。”他给了两百名。他又拿出皇帝赐给他的马四十匹，分给了郝廷玉等人。李光弼举着大令旗说“：注意看我的令旗，挥得缓慢，可相机行事。如三次挥动到地，各军都进攻敌阵，不管死活，后退的斩首。”后来在城上看见郝廷玉的军队没能前进，催侍从去杀他的头。郝廷玉说：“战马中了箭，不是后退。”于是命换别的马。有位偏将持矛刺叛军，刺穿了叛军马的肚子，刺中了几名敌兵，又有位偏将迎战敌兵，没有作战却退却了，李光弼把持矛的叫来赏绢五百匹，将不敢作战的斩首。李光弼三次挥动令旗，众军奋勇争先，叛军战败逃走，共杀头一万多颗，俘虏八千多人，战马两千匹，军用物资兵器不计其数，活捉了周挚、徐璜玉、李秦授，只有安太清脱身逃跑了。史思明不知道，还在进攻南城，李光弼把俘虏赶来给他看，史思明很害怕，筑营垒来抵御唐军。开始，李光弼要作战了，把刀插在靴中，说：“作战是危险事。我官当到三公之一，不能被叛军活捉，万一战败，将自杀来向皇上谢罪。”到战胜时，对着西边跪拜行礼，全军都很感动。安太清袭击怀州，占领了它。上元元年(760)，加封他为太尉、中书令。他进兵包围了怀州，史思明来救援，李光弼再次打败了他。史思明把军队开到河清，声称渡过黄河切断李光弼军的运粮路。李光弼在野水渡筑营垒，到晚上把军队开了回去，留下牙将雍希颢守营，对他说：“叛军将领高晖、李日越，都是能抵敌万人的人。叛贼一定派他们来抓我。你留在这里，叛军来了不要出战，他们如果投降，你就和他们一起到我这里来。”众将私下对这没根据的话感到奇怪。这天，史思明果然把李日越叫去说“：李光弼驻扎在野外，你率五百名骑兵夜晚去抓住他，抓不到不要回来！”李日越到唐军营垒边，派人问道：“太尉在吗？”回答说：“走了。”又问：“营中军队有多少？”回答说“：一千人。”又问：“将领是谁？”回答说“：雍希颢。”李日越对他的部下说“：我接受的命令是怎么说的？现即使抓住雍希颢，回去也不免被杀头。”于是请求投降。雍希颢和他一起去拜见，李光弼对他非常好，任命他为特进官，兼任右金吾大将军。高晖听说后，也投降了。有人问“：你让这两位将领投降怎么这么容易呢？”李光弼说：“史思明两次战败，只遗憾不能和我们在野外作战，听说我驻扎在野外，他一定认为容易抓到，派将领来偷袭，一定用死来提要求。雍希颢没有名气，不值得作为功劳。李日越怕死，不投降怎么办？高晖才干超过李日越，李日越投降受到宠幸，高晖动心，能不想赶上他吗？”众军挖开丹水河堤淹怀州城，没攻下。李光弼命郝廷玉挖地道进城，探知叛军口令，登上城墙大喊，城外唐军爬上城墙，抓住了安太清、杨希仲，押送到京城，在太庙举行了献俘式。晋爵食实封一千五百户。
史思明派间谍宣传说叛军将领都是北方人，哼着家乡的小调想回乡。鱼朝恩相信了，多次上奏说叛军可以消灭。
皇帝下诏给李光弼，李光弼坚持说叛军还很强大，不能轻易出兵。仆固怀恩忌妒李光弼的功绩，暗中附和鱼朝恩定计驱逐叛军。皇帝派使者来督促出战，李光弼没办法，命李抱玉守卫河阳，出兵驻扎在北邙。李光弼命靠山列阵，仆固怀恩说“：我率骑兵，现列阵在山边，不便调动，请求在平地列阵。”李光弼说：“有山做依托，胜可攻，败可守；大平地列阵，战败就完了。况且叛军是跟我们拼命，因此不如在山边列阵。”仆固怀恩不听，叛军占据了高地，布置七百名持长戟的士兵。命强壮的士兵拿着刀跟在后边，丢掉军用物资假装逃跑。仆固怀恩的军队争夺战利品，叛军伏兵杀出，唐军大败。
怀州又被攻陷了，李光弼渡过黄河守卫闻喜，李抱玉因兵少，放弃了河阳。李光弼请求治兵败之罪，皇帝因为是仆固怀恩违反军令战败，下诏宽恕他，并招他进京朝拜。他恳请辞去太尉职务，改任开府仪同三司，中书令，河中尹，晋、绛等州节度使。不久，又封为太尉，兼任侍中，河南道副元帅，知河南、淮南东、淮南西、山南东、荆南五道节度行营事，镇守泗州。皇帝为他赋诗送行。史朝义乘邙山得胜，进兵攻打申、光等十三州，李光弼抱病命抬着他上了路，监军认为军队少，请求退保扬州。李光弼说“：皇上将大事托付给我，叛军怎么知道我们军队是多还是少？如果我们在他们没料到时突然出兵，他们将自己溃退。”于是快速行军进入徐州。当史朝义在宋州包围了李岑，李光弼派田神功去进攻赶跑了他。
当初田神功讨平了刘展后滞留在淮南，尚衡、殷仲卿在兖、郓州之间互相攻打，来調在襄阳不听命令，等李光弼到了驻地，史朝义逃跑了，田神功回到了河南，来調、尚衡、殷仲卿相继进京朝拜，他被众将敬畏佩服到了这种地步。宝应元年(762)，加封临淮郡王，李光弼收复了许州，杀死叛军上千人，活捉叛军将领二十二人。史朝义派军队进攻宋州，李光弼打败并赶走了他们。
浙东袁晁在台州反叛，建年号叫宝胜，将二月作为正月，攻打掳掠各州县。
李光弼派部下在衢州打败了他的军队。
广德元年(763)，就擒获了袁晁，浙东平定了。有诏晋爵食实封两千户，封他一个儿子为三品官，赐给他铁券，把名字藏进太庙，在凌烟阁上给他画像。
相州、北邙战败，鱼朝恩因自己决策错误感到羞愧，因此对李光弼忌恨入骨，而且程元振更忌妒他。他们两人当权，每天筹划诬蔑他的办法。到来調被程元振诬陷处死，李光弼更害怕了。吐蕃进犯京城，唐代宗下诏命他来京救援，李光弼害怕被算计，犹豫不敢去。到皇帝出逃陕州，还把他作为重要依靠，多次问候他的母亲，来消除隔阂。皇帝回到长安后，任命他为东都留守，察看他的动向。
李光弼用等待诏书长时间没来，需回到徐州收取租赋做借口。皇帝命郭子仪把李光弼的母亲从河中送回长安。广德二年(764)，李光弼病重了，奏表呈上先后赐给他的食实封爵位，皇帝下诏不答应。
部将官员问他死后的安排，他说：“我长期在军队里，不能回家奉养老人，是不孝的儿子，还说什么呢？”拿出剩下的绢绸布匹分送给部下将领。去世时年仅五十七岁。部下将领就用他赠送的布匹给他办了丧事，哭着互相吊唁。皇帝派使者吊唁慰问他的母亲，赠官为太保，赐谥号叫武穆，下诏令群臣到延平门外送葬。
李光弼带兵，定好计策然后才开战，能够以少胜多。治军严整，全国都敬畏他的威严和名望，他在军队中指一下或者瞟一眼，众将就不敢抬头看他了。起初，他和郭子仪名望相当，当时称为“李郭”，但论战功被推举为平叛第一人。据说他接替郭子仪掌管朔方军时，军营、兵将、旗帜没有改变，但李光弼一对军队下令，军容就更加整齐严明了。