李东垣自幼天赋聪颖，沉稳安静，喜爱读书。他出生在一个书香门第，父辈们也都是崇文好读之人，与当时的名流雅士有密切的交往。他家是当地的豪门望族，富有钱财，李东垣虽生在富贵人家但生活严谨，行为敦厚，令人敬重。他曾从师于当时的名儒翰林学士王若虚、冯叔献学习《论语》、《孟子》和《春秋》。李东垣二十岁时，母亲王氏患病卧床不起，后因众医杂治而死，李东垣痛悔自己不懂医而痛失生母，于是立志学医。
当时易水的张元素是燕赵一带的名医，李东垣求医心切，不惜离乡四百余里，捐千金拜其为师。凭着他扎实深厚的文学功底，经过数年的刻苦学习，李东垣“尽得其学，益加阐发”，名声超出老师，成为一代医家大宗。病人来看病，他总是先诊脉，辨明脉象，而后进行诊断，告诉病人他们患得是什么症，然后从医经里引出经文，加以分析对照，证明自己的诊断与医经的论述完全一致，直到把病人说得心服口服了，才拿起笔处方。
不知出于何种原因，大约在30多岁时，李东垣按照金朝的制度向官府交钱买了个官位，做了临原(今河南境内)的税务官。在此期间，流行一种俗称“大头天行”的疾病，即一种以头面红肿、咽喉不利为主症的传染病。当时的医生查遍医书也找不到古人对此病的论述，多用泻剂治疗但均不获效，而一泻再泻往往使病人一个接一个地死去。尽管这样，医生并不认为是误治之过，病人家属对此也无异议。唯有李东垣觉得病人死得冤枉，于是他废寝忘食地研究本病，从症状到病因反复探讨，终于研制出“普济消毒饮”一方，用于病人，屡验屡效。为救治更多病人，李东垣不图利，不留名，他命人把药方刻于木板立在人多醒目的地方。凡照此方治疗的病人无不获效，当时百姓以为此方为仙人所传，把它刻于石碑之上。
此后不久，李东垣为躲避元军侵扰弃官迁居汴梁(今开封)。居汴梁期间，他常为公卿大夫诊治疾病，疗效非常显著，名声为之大振。从中原北返后，寄居鲁北东平、聊城一带，以医为业达六年。1244年，64岁的李东垣回到家乡真定，临床之余，将多年经验体会著述立说，创立了以“内伤脾胃”学说为主体的理论体系。