李光弼于唐天宝十五年(756)初，经郭子仪推荐为河东节度副使，率兵东出井陉(今河北井陉西北)，参与平定安史之乱。先后攻破常山(今河北正定)﹑九门(今河北城西北)﹑赵郡(今河北赵县)等地。五月，与郭子仪会师常山，乘敌疲惫出击，大败史思明部于嘉山(今河北曲阳境)，进围博陵(今河北定县)，军威大振，使河北十余郡皆杀叛吏归唐。
至德二年(757)，史思明﹑蔡希德等率众10万进攻北都太原(今太原西南)。北都留守李光弼所部不满万人，先在城外凿壕，又以挖出的土作坯数十万，加固城垒。当敌攻城时，用大炮发巨石猛击，还暗掘地道陷敌，不断袭击叛军，使之不敢接近。史思明北返，李光弼乘隙出击，大败蔡希德，歼其部众7万，既守住了太原，又保证了唐军左翼的安全。
干元二年(759)七月，任天下兵马副元帅。史思明军突然渡河，陷汴州(今开封)，逼洛阳。李光弼因兵力悬殊，乃弃洛阳，守河阳(今河南孟县南)，威胁叛军侧翼，使其不敢西进。随后伺机出战，挫败了叛军对河阳三城的进攻，歼敌2万。
上元二年(761)，朝廷强令收复洛阳，他不得已而出兵，当时叛军尚锐，加之大将仆固怀恩违反节度，因而兵败邙山(今洛阳北)，退保闻喜(今山西闻喜东北)。后复任河南诸道副元帅，出镇临淮，统河南诸道兵反攻叛军，配合仆固怀恩等收复洛阳。他曾参与镇压浙东袁晁领导的农民起义军。
广德二年，因受朝廷猜疑，抑郁而死。