李光弼于唐天寶十五年(756)初，經郭子儀推薦為河東節(jié)度副使，率兵東出井陘(今河北井陘西北)，參與平定安史之亂。先后攻破常山(今河北正定)﹑九門(今河北城西北)﹑趙郡(今河北趙縣)等地。五月，與郭子儀會師常山，乘敵疲憊出擊，大敗史思明部于嘉山(今河北曲陽境)，進圍博陵(今河北定縣)，軍威大振，使河北十余郡皆殺叛吏歸唐。

至德二年(757)，史思明﹑蔡希德等率眾10萬進攻北都太原(今太原西南)。北都留守李光弼所部不滿萬人，先在城外鑿壕，又以挖出的土作坯數(shù)十萬，加固城壘。當敵攻城時，用大炮發(fā)巨石猛擊，還暗掘地道陷敵，不斷襲擊叛軍，使之不敢接近。史思明北返，李光弼乘隙出擊，大敗蔡希德，殲其部眾7萬，既守住了太原，又保證了唐軍左翼的安全。

干元二年(759)七月，任天下兵馬副元帥。史思明軍突然渡河，陷汴州(今開封)，逼洛陽。李光弼因兵力懸殊，乃棄洛陽，守河陽(今河南孟縣南)，威脅叛軍側翼，使其不敢西進。隨后伺機出戰(zhàn)，挫敗了叛軍對河陽三城的進攻，殲敵2萬。

上元二年(761)，朝廷強令收復洛陽，他不得已而出兵，當時叛軍尚銳，加之大將仆固懷恩違反節(jié)度，因而兵敗邙山(今洛陽北)，退保聞喜(今山西聞喜東北)。后復任河南諸道副元帥，出鎮(zhèn)臨淮，統(tǒng)河南諸道兵反攻叛軍，配合仆固懷恩等收復洛陽。他曾參與鎮(zhèn)壓浙東袁晁領導的農民起義軍。

廣德二年，因受朝廷猜疑，抑郁而死。