李广的祖先是秦朝将军李信，曾率军战败燕太子丹。李广接受世传弓法，射得一手好箭。
汉文帝十四年(前166年)，匈奴大举入侵边关，李广以良家子从军抗击匈奴。因善于用箭，杀死和俘虏了众多敌人，升为汉中郎，以骑士侍卫皇帝。
多次跟随文帝射猎，格杀猛兽，文帝曾慨叹：“惜乎，子不遇时！如令子当高帝（刘邦）时，万户侯岂足道哉！”(《史记·李将军列传》)汉景帝即位后，李广为陇西都尉，不久升为骑郎将。
吴楚七国之乱时，李广任骁骑都尉跟随太尉周亚夫抗击吴楚叛军。因夺取叛军帅旗由此在昌邑城下立功显名。虽有功，但由于李广接受了梁王私自授给他的将军印，回朝后，没得到封赏。
诸王叛乱平定后，李广任上谷太守，匈奴日以合战。典属国公孙昆邪上书：“李广才气，天下无双，李广的一百名骑兵，也十分害怕，都想掉转马头往回奔。
李广说：“吾去大军数十里，今如此以百骑走，匈奴追射我立尽。今我留，匈奴必以我为大军之诱，必不敢击我。”(《史记·李将军列传》)
李广命令所有的骑兵说前进，一直走到离匈奴阵地不到二里多路的地方才停了下来。李广又下令道：“皆下马解鞍！”(《史记·李将军列传》)他手下的骑兵说：“虏多且近，即有急，奈何？”(《史记·李将军列传》)李广说：“彼虏以我为走，今皆解鞍以示不走，用坚其意。”(《史记·李将军列传》)
匈奴骑兵果真不敢冒攻。这时一名骑白马的匈奴将领出阵来监护他的士兵。李广骑上马，带十几个骑兵，射杀白马将，然后重回到他的队里，卸下了马鞍。他命士兵都放开马匹，睡卧地上。
这时天色已晚，匈奴兵始终觉得他们可疑，不敢前来攻击。半夜时分，匈奴以为汉军在附近有伏兵，想乘夜袭击他们，便引兵而去。第二天一早，李广回到了部队。但“大军不知广所之，故弗从。”
身为主将冒然追击而不通知大军，此不可取。自负其能，数与虏敌战，恐亡之。”(《史记·李将军列传》)于是被任为上郡太守。后李广又在陇西、北地、雁门、代郡、云中等地做太守，以打硬仗而闻名。
匈奴入侵上郡（郡治肤施，今陕西榆林东南鱼河堡），景帝派一个宠信宦官同李广一起统率和训练军队抗击匈奴。
一次宦官带几十个骑兵出猎，路遇三名匈奴人骑士，与其交战，结果，匈奴人射杀了所有随从卫士，还射伤宦官，宦官慌忙逃回报告给李广。
李广认定三人是匈奴的射雕手，于是亲率百名骑兵追赶三名匈奴射雕手。匈奴射雕手因无马而步行，几十里后被追上，李广命令骑兵张开左右两翼，自己亲自射杀二名匈奴射雕手，生擒一名。
刚把俘虏缚上马往回走，匈奴数千骑兵赶来，见到李广的军队，以为是汉军诱敌的疑兵，都大吃一惊，立刻上山摆开阵势。
公元前140年，汉武帝即位，众臣认为李广是名勇将，武帝于是调任李广任未央宫的卫尉。这时程不识也任长乐宫卫尉，他俩从前都以边郡太守的身份统帅军队，却有截然不同的带兵方法。
程不识曰：“李广军极简易，然虏卒犯之，无以禁也；而其士卒亦佚乐，咸乐为之死。我军虽烦扰，然虏亦不得犯我。”士兵人人自便，晚上不打更巡逻自卫，但如果匈奴进攻，大军没办法抵挡。
程不识则以严格治军而闻名，他注重部队的编制，队列和阵式。晚上敲刁斗巡逻，军中事务繁琐，却不怕匈奴进犯。可是士兵却苦于程不识之严，都喜欢跟随李广作战，这是程不识对老战友李广委婉的批评。
程不识景帝时因数次直谏而被任为太中大夫，为人清廉，谨于文法。
汉武帝元光二年（前133年），汉用马邑城（今山西朔县）诱匈奴军臣单于入塞。派大军埋伏在附近的山谷中，李广担任骁骑将军，受护军将军韩安国节制。
最后军臣单于察觉了汉军的谋划撤退，马邑之围无功而返。元光六年（公元前129年），匈奴又一次兴兵南下，前锋直指上谷（今河北省怀来县）。
汉军四路出击。车骑将军卫青直出上谷，骑将军公孙敖从代郡（治代县，今山西大同、河北蔚县一带）出兵，轻车将军公孙贺从云中（今内蒙古托克托东北）出兵，李广任骁骑将军，率军出雁门关，四路将领各率一万骑兵。卫青首次出征，直捣龙城（匈奴祭扫天地祖先的地方），斩首700人。
李广终因寡不敌众而受伤被俘。匈奴单于久仰李广威名，命令手下：“得李广必生致之”(《史记·李将军列传》)匈奴骑兵便把当时受伤得病的李广放在两匹马中间，让他躺在用绳子结成的网袋里。
走了十多里路，李广装死，斜眼瞧见他旁边有个匈奴少年骑着一匹好马，李广突然一跃，跳上匈奴少年的战马，把少年推下马，摘下他的弓箭，策马扬鞭向南奔驰，匈奴骑兵数百人紧紧追赶。李广边跑边射杀追兵，终于逃脱，收集馀部回到了京师。
汉朝廷把李广交给法官，法官判李广部队死伤人马众多，自己又被匈奴活捉，应当斩首，后用钱赎罪，成为平民。但李广展现出的惊人骑射技术给匈奴人留下深刻的印象，这正是匈奴称其为“汉之飞将军”的由来。
李广赋闲期间，曾和颍阴侯灌婴的孙子灌强到蓝田南山（蓝田南山，今陕西蓝田县东。蓝田南山是显官屏居游乐的地方。魏其侯窦婴谢病，亦屏居蓝田南山下数月。）中隐居游玩。曾有一次在夜间带着一个随从骑马外出，跟别人在乡间饮酒。
归来时路过霸陵亭，霸陵夜间宵禁，霸陵亭尉喝醉了酒上前大声呵斥广不让通行。李广的随骑说：“这是前任的李将军。”