1881年生于湖南邵阳县梽木山乡大埠头村。名喜起，亦名乔生、纯白，派名其隆，李氏迁至大埠头已有数百年之久，从15代起的班行为：“起高望远，其益良多”，李洞天是李氏始祖19世孙。父亲李远桂去世时，李洞天才2岁。母亲胡氏迫于生计带着李洞天之兄李其浩改嫁。李洞天过继给堂伯父李远介，由其抚养成人。李远介，字存扬；继母周氏。因幼年丧父，李洞天早谙世事，且聪明好学。6岁时开始启蒙，“功课过目成诵，人皆奇之”。稍长，喜读历史章回小说，擅长作文。16岁便开始设馆授徒，入其馆者渐多。
1897年，谭嗣同、梁启超等维新志士在长沙创办时务学堂、邵阳籍志士邹代钧、樊锥等人与江标、唐才常刊行《湘学报》，组织南学会，宣传维新思想，开展维新运动。1898年2月，樊锥在邵阳组织南学分会，以“讲爱国之理，求救亡之法”为宗旨，宣传维新变法。李洞天最先加入该会，甚得樊锥赏识。是年9月21日，以慈禧太后为首的顽固派在北京发动政变，囚禁光绪帝，杀害谭嗣同等“戊戌六君子”，康、梁逃亡海外，湖南维新运动亦大受挫折。李洞天深受刺激，推行维新救亡的意志更为坚决。同年，滕骥在邵阳城内沙井头创办湖南内地开风气之先的滕氏女塾，李洞天受聘为教习。1903年，李洞天与留日归来的岳桌如、有坤、李模、何锡伯在邵阳城内何氏宗祠创办崇德学堂。
1904年，黄兴等人在长沙创立华兴会，准备在长沙举事，全省分5路同时响应。新化籍志士戴奉命回乡与谭人风联络中路响应事宜。谭人凤召集李洞天、李燮和、肖立诚、奉集勋、罗锡藩、唐镜三等人成立革命机关，印就章程、党证及浅显讲义，大力发展会众。并推定唐镜三、李燮和、周叔川分任武冈、安化、新化等地革命机关“主任”，李洞天和肖立诚担任邵阳革命机关“主任”。李洞天与岳卓如、肖坤（亦作肖堃）等集资在邵阳考棚街创办楚宝公司，开设楚宝书局，搜集《革命军》、《浙江潮》、《洞庭波》、《民报》等进步书刊，秘密翻印，广为散发。当时在国内外奔走革命的邵阳志士都以楚宝公司为秘密联络机关。在李洞天等人的努力下，中路革命形势迅速高涨。后因不慎走漏风声，长沙起义未及发动便遭镇压。李洞天并不因此而退却。1906年，同盟会领导萍济醴起义，李洞天参加了醴陵之役。
1911年10月10日，武昌首义爆发。10月22日，湖南首应。消息传至邵阳，李洞天与邹永成、谢介僧、唐献、陈自新、葛天保、岳如意、毕同、唐盾仁、黄常存等革命志士密相联络，在邵阳河街岭机关开会商议，决定由邹永成前往五峰铺策动巡防营管带张贯夫起义响应。10月30日，邵阳宣告光复，成立湖南军政府宝庆分府，公推谢介僧为都督，邹永成为副都督，谭二式为参都督，李洞天与参谋官。不久，长沙发生兵变，焦达峰、陈作新两都督被反动军官杀害，立宪派掌握了湖南军政实权。宝庆军政府内部也因政见分歧发生内讧，邹永成率部队移驻新化，谢介僧被谭延闿扣留于省城，宝庆军政分府解散。李洞天避往邵阳城南铜铃庵丛林，并于庵中设立鸿蒙山馆，招徒讲学，继续宣传民主革命思想。
李洞天目睹袁世凯专制独裁，痛愤不已。1912年秋，李洞天联合进步知识分子贺曼真、孙复诚、岳卓如、黄怀民、赵子桢等人在邵阳北塔庵创办私立循程学塾。在其主持下，该校以“公、勤、实、勇”为校训，提倡劳动化、生产化、平民化和社会化教育，采用全新教学方法，学校声誉鹊起。1913年春，李洞天与贺曼真、岳卓如、黄怀民、王振声等10余人商议，倡议成立“邵阳循程学塾教育实进团”，吸收地方热心教育的富有绅商为团员。通过这种方式拓宽了筹款途径，为扩建校舍、增添教具筹集了充足经费，循程学塾迅速发展，偏僻闭塞的邵阳也因之风气大开。在办学过程中，李洞天注意对学生进行革命思想的培养，利用假期空闲时间，带领周必正、欧阳天倪等学生赴长沙搜集、采购大量革命快报，运回邵阳广为散发。
1913年秋，邵阳驻省中学校长刘武（亦名刘策成）聘李洞天为该校国文教习。其时袁世凯爪牙汤芗铭为湖南都督。在袁授意下，汤芗铭采取残暴手段瓷意摧残湖南革命势力。李洞天痛愤国事，鼓吹反袁斗争。其思想和品格为广大进步师生所敬仰，学生匡互生（匡济，又名匡日休）、邓森两人受其影响最深。某日，国文教习卢国松要同学们以《时事感言》为题作文。匡互生在作文中畅所欲言，大胆揭露和批判了黑暗现实，表示“愿持三尺剑，斩尽民贼以为快”。卢国松对匡互生所作《时事感言》赞赏不已，信笔批道：“除贼务尽！”李洞天闻讯，将该文作为优秀范文在全校传观。不料，一个因不称职而被辞退的教员乘机报复，将此事密告汤芗铭。
宝庆中学堂曾经是革命党人焦达峰联络同志的秘密机关之一，此时该校的反袁、反汤气氛又如此炽烈，自然为汤芗铭嫉恨。汤正要找个借口镇压革命势力，以向袁世凯邀功请赏。受汤芗铭派遣，视学员汪守圻等人到宝庆中学堂，故意向校长刘武询问国文教员情况。刘不知来者底细，不借思索地回答：“李洞天学问最为出众”。他们遂要求调阅学生作文本。次日工资，刘武和李洞天被传唤到都督府，汤芗铭手持作文本，念着匡互生作文中的语句和卢困公所作的页批，质问李洞天：“这奇批，我看刘校长没有这个胆。李先生，只有你才有这个‘文才’！”刘不知所措惶恐不安。李洞天毫不畏惧，随声应允：“是我批的。”汤厉声责问：“好有胆量！李洞天，你承认是你写的，那么我问你，谁是民贼？”早已怒火中烧的李洞天脱山而出：“谁承认谁就是！”“你有何理由定人家为民贼？”李洞天驳斥道：“凡欺压百姓，残害黎民，敲诈民脂民膏以肥私者，都是民贼。”狡猾的汤芗铭为了诈出更多口供，眼珠一转：“我看你没有这么大的狗胆，你是不是作了别人的替死鬼？只要你说出来，我就放你一马。”李洞天为了不将卢国松推进火坑，一口咬定：“一人做事一人当，作文题是我出的，眉批也是我写的。”汤芗铭气急败坏：“你既要做一人做事一人当的好汉，那我便成全你。”随即喝令持抢的副官将李洞天关进牢监。李洞天几经严刑拷问，始终坚贞不屈。
1914年5月12日，汤芗铭致大总统电报称：“闻邵阳驻省中学校有煽惑学生鼓吹革命情事，当饬视学员严密侦察并检阅课本，确有悖逆文字多篇呈送核办，随将校长刘武、教员李洞天拿获。迭次提讯，李洞天则情甘认罪，刘武虽多狡，执示以证据，亦即俯首无词。”次日，总统府回电称：“该邵阳中学校长、教员竟敢煽惑学生肆行鼓吹，实属悖谬之极，有干法犯，仰该督严行惩办，以遏乱萌。”5月30日，汤芗铭再次呈文总统府：“李洞天为国文教员，平时讲习课文专以底毁政府、鼓吹革命为宗旨。前经芗铭访问，密派视学员赴该校侦查、检阅课本，确有悖逆文字多篇，均经教员圈点批考。当将李洞天、刘武拿获到案，督饬军法课研讯。查各课本内文字悖谬者计十二篇，学生匡济所作之《救国大计》及邓森所作之《以公道正民俗》两篇，底毁中央悖逆尤甚，多系李洞天圈改批奖，其改笔批语俱极狂悖，实属逆迹昭著。”在呈文后面还附有匡互生、邓森的作文。匡互生在文中提倡“改良社会，更造政府”为救国之计，“我国自共和以来，名虽改革者，实仍腐败。政途中除私图一人之权力，剥削人民之脂膏，则皆所不计；虽时发言娓娓，而见诸实行者而未一也。日言整理财政而财晶绌，日言推广铁路而道不修，日言普及教育而学校日见减少，学风日形衰颓。甚以欲内乱频起，外患迭致，未有甚于此，何莫非比恶劣政府之所致？以如是之政府，托以四万万人之生命，欲其长保无虞不可矣！改良之策计，惟推翻之，改革之。”李洞天对该文所作的批语是“识见卓越，能言所欲言”。邓森所作《以公道正民俗》言辞更为激烈，痛骂袁世凯：“论其功则万无可指，论其罪则笔所难书，何哉？自临朝以来，力持党见，贿赂私人，与南方为仇敌。视国事如敝履，借款巨万，而不适何？监督财政，而不引为国耻。日夜孜孜，终岁皇皇，惟恐总统之位不能得，传专帛之心不我居。暗杀功人，力排伟士，七月之遇，赣皖不堪血杵，金陵不胜惨剧。滔天之罪，万死难容不得。”李洞天所作尾批为：“振襟而言，有弥衡骂曹之概。”
上述详细材料送达总统府后，6月5日，徐世昌签发了《大总统批令》称：“湖南都督汤芗铭呈邵阳驻省中学校教员李洞天等鼓吹革命，逆迹昭著，遵奉电令分别惩办，呈请饬部立案由。交陆军部查照。此批。”
1914年6月15日清晨，李洞天被汤芗铭杀害于南门外荒效刑场，时年34岁。李洞天被杀，舆论大哗，湖南人民的反袁驱汤运动更加高涨。谭人凤对他评价甚高：“为国捐躯，身固死矣，而精神自在！”
烈士遗体葬于省城邵阳义山，墓碑上刻有传记。遗孀唐氏，生有1子3女，子早殇，3女外嫁。