李石曾出生于晚清的一个显宦之家。其父李鸿藻在清同治年间曾任军机大臣，是以保守著称的清流派的代表人物之一。李石曾是李鸿藻的第三子，6岁即熟读诗书，15岁从京城名儒齐禊亭习汉学，积累了深厚的国学根底。
1902年，李石曾随驻法公使孙宝琦赴法国。在巴黎，李石曾入蒙达顿农校学习，毕业后又入巴斯德学院及巴黎大学学生物。1906年，他和张静江、吴稚晖等人在巴黎组织了“世界社”，宣扬无政府主义。同年，经张静江介绍，李石曾加入同盟会巴黎分会。1909年，李石曾在巴黎西郊创办中国豆腐公司，以机器新法制豆腐，因而获得豆腐博士的雅号。1911年李石曾回国参加辛亥革命。在天津，他和黄复生等组织了京津同盟会，出版《民意报》，在北方宣传和组织革命。1912年李石曾和吴稚晖等人在北京创立留法俭学会。1913年初，首批由俭学会资助的30名学生赴法，李石曾安排他们进入巴黎南郊的蒙达学院。二次革命失败后，李石曾避往法国。第一次世界大战爆发后，法国北方陷于战火之中，中国的俭学生大都避往法国西南部，一进生活无着，处境艰难。1914年李石曾与蔡元培、汪精卫等组织了留法西南维持会。1915年6月，李石曾援引豆腐公司的成例，和蔡元培等一起组织勤工俭学会，号召留学生勤于工作。俭以求学，用自己的劳动收入来维持生活和学业。1917年李石曾应蔡元培之邀回国担任北大生物系教授。他一边教书，一边继续为赴法勤工俭学奔走。他和蔡元培等人在北京建立了华法教育会和留法勤工俭学会。1917年，他在高阳县布里村创办了全国第一所留法工艺学校。同时，李石曾还在保定育德中学附设了留法高等预备班。这个班的设备好，教师水平高，是向法国输送留学生最多的预备班。1918年，北京成立法文专修馆，李石曾任副馆长并亲自授课。由于赴法学生与日俱增，华法教育会应接不暇，心系勤工俭学事业的李石曾再度到法国，亲自为学生们安排工作，学习和生活。第一次世界大战结束后，法国经济萧条，大批工人失业，许多中国留学生也无工可做，陷入困境。李石曾利用自己和法国官方及教育界人士关系，多方奔走，解决了部分学生的工作。1920年，李石曾在北京创办中法大学。同年，他得到孙中山和广州政府的经济支持，在法国建立里昂中法大学。
1924年，在国民党一大上，李石曾和吴稚晖被选为国民党中央监察委员。1924年10月，冯玉祥发动北京政变，驱逐了末代皇帝溥仪出宫。11月5日，李石曾以民间代表身份参与其事，出任故宫财产清理保管委员会主席。1926年，张静江和蔡元培也入选监委。李、吴、张、蔡四人因关系密切，并称国民党四大元老。同年成立故宫博物院，李石曾任院长。1927年4月，李石曾与吴稚晖、张静江等人多次开会密谋，鼓动和支持蒋介石反共，“四·一二反革命政变”后，李石曾又全力支持蒋介石在南京成立国民政府。1928年9月，应张孝若之邀任私立南通大学(Nantung University)首席校董。抗战期间，李石曾在欧美从事外交活动。1948年他回国任总统府资政，1949年以后去瑞士。1956年，李石曾定居台湾，1973年逝世， 终年92岁，葬于台北阳明山。