门荫入仕
李思训生于唐高宗永徽四年(653年),是北朝北魏至西魏时期名将李虎(即唐太祖)的玄孙。他的祖父李叔良,是唐高祖李渊的堂弟,武德初年封长平王;其父李孝斌,封华阳县公。
乾封元年(666年),十四岁的李思训被补授为崇文馆(《新唐书》作弘文馆)生。后举经明行修科,以进士及第。又加朝散大夫,授官常州司仓参军,再调为扬州江都县令。
避祸隐居
高宗死后,太后武则天临朝执政,宗室多被构陷杀害,李思训为避祸而弃官隐居。
宗室耆旧
神龙元年(705年),“神龙政变”发生,唐中宗李显复辟唐朝,李思训以宗室“耆旧”身份被征入朝,拜官太常寺丞,不到一个月又调任太府员外少卿,五十日后被擢升为宗正卿,封爵陇西郡开国公,食邑二千户,实封食邑二百户。后出任岐州刺史,转益州都督府长史。
大约在唐中宗崩逝后,李思训又被征入朝中,任左屯卫将军,后改任散骑常侍。唐玄宗开元(713年-741年)初年,任右羽林卫大将军(《旧唐书》作左羽林大将军),进封彭国公,食邑加至四百户。后进拜右武卫大将军(一作左武卫大将军),故后世称其为“大李将军”。
病逝
开元六年(718年)八月,李思训因病逝世,享年六十六岁。丧事由官府负责办理,玄宗追赠他为秦州都督,赐谥号“昭”。开元八年(720年)六月二十八日,李思训得以陪葬于唐睿宗李旦的桥陵。