史书未记载生年，从异母兄李元嘉及异母弟李凤的生年推断，当在武德二年（619年）至武德五年（622年）之间。李元轨有多方面的才能，受李渊宠爱。
武德六年（623年），册封蜀王。
武德八年（625年），徙封吴王。
贞观七年（633年），任寿州刺史，实封六百户，娶魏徵的女儿为妻。
贞观九年（635年），李渊驾崩，辞官职穿丧服，哀痛过礼，此后经常身着布衣，每当父亲李渊忌日来临，总是绝食数日。
贞观十年（636年），改封霍王，任绛州刺史，不久转任徐州刺史。李元轨任刺史时，在宅邸闭门读书，事务由长史好司马处理。李元轨态度谨慎不妄，与器物不吝惜。与处士刘玄平为布衣之交。
贞观二十三年（649年），唐高宗继位后，加实封满一千户，任定州刺史。突厥攻击定州，李元轨开城门偃旗息鼓。突厥疑惑，没敢入城，于夜间遁走。定州李嘉运与敌人勾结被发觉，唐高宗命李元轨将其一党全部处死。李元轨为安定人心，只杀李嘉运一人，其他人的罪责赦免，然后上书请罪。唐高宗大喜，说：“朕亦悔之，倘无王，则失定州矣。”李元轨的部下王文操与敌作战，其二子王凤、王贤为保护父亲战死。李元轨得知，派遣使者吊祭，唐高宗得到报告，追赠王凤、王贤为朝散大夫。
李元轨入朝廷时，常常上疏议论政治得失，对朝政多有裨益，高宗尊重叔叔，大事常与他相谈。高宗去世时，李元轨和侍中刘齐贤主管陵墓事务。李元轨通晓陵葬故事，刘齐贤叹息“非我辈所及也。”李元轨派遣国令到封国征收租税，国令请用得税与诸国交易来取利，李元轨回答：“汝为国令，当正吾失，反说吾以利耶！”拒而不纳。
垂拱元年（685年），加司徒，转任襄州刺史、青州刺史。
垂拱四年（688年），越王李贞兵败，李元轨以同谋之罪遭连坐，流放黔州，载于槛车，路经陈仓而死。武则天改李元轨、李绪为虺氏，其子孙年幼者皆流放岭外。
神龙初年，唐中宗复辟称帝，李元轨父子恢复生前爵位，并还复李姓。
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