早年經歷

李元纮年輕時謹慎篤厚，初授涇州司兵參軍，后歷任雍州司戶參軍、好畤縣令、潤州司馬。他政績突出，頗有聲譽。

累職升遷

開元年間，李元纮擔任萬年縣令。他征發賦役，以公允著稱，被擢升為京兆尹，并主持疏通三輔境內河渠。當時，王公貴戚都在渠岸建立碾硙，使渠水不能流入下游民田。李元纮命吏卒將其拆毀，使民田得到灌溉，深受百姓稱頌。此后，他又歷任工部、兵部、吏部三部侍郎。

開元十三年（725年），戶部侍郎楊玚、白知慎因失職被貶為刺史，唐玄宗讓公卿大臣推薦可以接掌戶部的官員。百官大都推舉李元纮，唐玄宗便欲任命他為戶部尚書，卻因他資歷淺薄，受到宰相的勸阻，只得授他為中大夫、戶部侍郎。他上疏朝廷，陳奏時政得失，受到唐玄宗的表彰。

擔任宰相

　開元十四年（726年），李元纮升任中書侍郎、同中書門下平章事，又加銀青光祿大夫，封清水縣男。當時，京官職田被廢置，便有朝臣建議在關中屯田，以充實國庫。李元纮奏道：“邊關百姓清閑，土地荒蕪，以剩余勞動力耕種荒田，能夠減少運輸，充實軍糧，因此設置屯田有益于國。但在關中，百官職田散居各地，百姓的私田都努力自耕，不能占取。如果設置屯田，就要公私相換，調發壯丁。調發勞役則家業荒廢，減免租稅則國賦欠缺，內地設置屯田，自古未有，恐怕得不償失。”唐玄宗遂停止此議。

此前，吳兢擔任史官，編撰《唐書》、《唐春秋》，尚未完成便因守喪離職。他上疏皇帝，請求繼續修史，唐玄宗便讓他到集賢院撰書。開元十五年（727年），唐玄宗命張說致仕，并讓他在家中修史。李元纮認為不妥，便提議讓張說和吳兢同到史館撰修國史，既可做到保密，又可避免資料丟失。唐玄宗采納了他的建議。

李元纮與同列宰相的杜暹關系不睦，常在政事上產生分歧，以致紛爭不斷，引起唐玄宗的不滿。開元十七年（729年），唐玄免去李元纮的宰相之職，外放為曹州刺史。

晚年生活

此后，李元纮又調任蒲州刺史，卻因病離職，并以戶部尚書之職致仕。

開元二十一年（733年），李元纮被起復為太子詹事，但不到十日便因病去世，追贈太子少傅，謚號文忠。