李谷一1961年畢業于湖南省藝術學院舞蹈專修科,同年被選入湖南省花鼓戲劇院。1964年,李谷一主演首部花鼓戲電影《補鍋》,獲得1964年和1965年湖南省和中南五省優秀表演獎。1967年,師從金鐵霖教授,先后得到沈湘,郭淑珍等名師的指導,并向京劇表演藝術家高玉倩學習京劇的行腔,吐字和京劇唱段。1974年,經過三次考試,被中央樂團錄取,任獨唱演員。1979年12月21日,錄制歌曲《鄉戀》,該曲被稱為“新時期中國大陸的第一首流行歌曲”,從而受到更多關注。1982年,從中央樂團抽調出來,著手創建中國輕音樂團的籌備工作。1983年,李谷一受邀參加中央電視臺春節聯歡晚會,在晚會上連唱了《春之歌》,《問聲祖國好》等6首歌曲,包括禁播多年的《鄉戀》。1984年至1985年,參加了音樂舞蹈《中國革命者之歌》的演出和電影拍攝工作。1988年,李谷一被列入美國傳記學會編撰的《世界杰出名人錄》。1991年,李谷一獲文化部“優秀演員獎”,“新曲目優秀獎”,并在國內多種報刊上發表了有關聲樂藝術的論述文章。1996年,調任東方歌舞團,任黨委書記,第一副團長。2003年,李谷一參加沈陽市慶“七一廣場”文藝晚會。2004年10月,受邀出席了南京“夢里秦淮”全國歌手唱秦淮大賽頒獎晚會,并擔任大賽評委；12月,參加長沙交通頻道的7周年演唱會。2005年12月4日,為北京大專院校“歌詠”大賽做評委；同月26日至28日,在北京參加廣電總局紀念中國電影百年演出。2007年10月,在東方藝術中心舉辦紀念國慶58周年慶祝音樂會。2008年2月,李谷一出席東方衛視《春滿東方愛心飛揚》春節晚會,；12月,在天津衛視錄制綜藝節目《津夜嘉年華》；同年,參加錄制東方衛視《非常記憶》。2009年,做客北京文藝頻道《神州音話》節目。2010年1月29日,在北京與費玉清,徐杰等人錄制新春特別節目《新春歌會》；8月,她還受邀參加東方衛視綜藝節目《華人大綜藝》。演唱照2011年1月27日,出演由湖南衛視舉辦的“湖南小年夜春節聯歡晚會”；之后,又參加浙江衛視平民圓夢類綜藝節目《中國夢想秀》；同月,她還作為嘉賓出席在東莞舉行的“中國流行音樂金鐘獎”總決賽；11月,錄制安徽衛視談話性節目《魯豫有約》“李谷一從藝五十周年”訪談專場。2012年1月,李谷一參加2012年中央電視臺春節聯歡晚會；3月11日,在北京國家會議中心舉辦以“知音”為情感主線的“從藝50年”個人演唱會。2013年1月,李谷一登上中央電視臺公益節目《夢想合唱團》的舞臺,為周筆暢帶領的長沙隊助陣獻唱；同月,她還與沙寶亮,張靚穎等人在北京聯排“2013年中央電視臺春節聯歡晚會”；此外,她還與蔣大為,毛阿敏等人參加在北京世紀劇院錄制的“光榮綻放”十大作曲家聲樂作品音樂會。9月19日晚,在“梅州月中華情”中央電視臺中秋晚會上演唱了歌曲《鄉戀》。2014年1月23日,李谷一與王詩齡搭檔,跨界主持2014湖南衛視春節聯歡晚會；同月24日,作為“特邀老師”參加浙江衛視音樂勵志類節目《我愛好聲音》；3月,做客東方衛視真人秀節目《不朽之名曲》；10月,參加湖南大劇院“山尖上的太陽—湘籍三大青年男高音‘喜得利之夜’音樂會”,為湘籍袁雙洋,朱志容,曾勇三大男高音站臺；此外,以“評委”的身份出席央視選秀節目《尋找劉三姐》。2015年2月,參加中央電視臺春節聯歡晚會；之后,作為特邀“助教老師“參加了北京衛視音樂教育類節目《音樂大師課第一季》,并為學生親自授課；9月,她還加盟金鷹卡通衛視兒童歌唱類節目《中國新聲代第三季》,并擔任李成宇,楊惠妍等人的音樂老師。2016年1月16日,李谷一參加了北京“中國文學藝術界·春節大聯歡”；同月27日,與彭宇,馬可合作為電視劇《一家老小向前沖》創作了主題曲《嘮嗑歌》；之后,受邀參加了北京衛視音樂教育類節目《音樂大師課第二季》,并擔任其“名譽校長”；10月,以“評委”的身份參加了中央電視臺綜藝節目《叮咯嚨咚嗆第二季》；此外,她還出席在湖南長沙舉辦的“第三屆金音杯歌手大賽總決賽”,并擔任其評委。李谷一2017年1月27日,參加中央電視臺春節聯歡晚會,與關牧村,高音,劉雨欣等演唱結尾歌曲《難忘今宵》。2018年2月15日,在中央電視臺春節聯歡晚會,與霍勇,劉雨欣,湯非演唱結尾歌曲《難忘今宵》；3月2日,在中央電視臺元宵晚會,李谷一,王泓翔演唱歌曲《前門情思大碗茶》。12月18日,黨中央,國務院授予李谷一同志改革先鋒稱號,頒授改革先鋒獎章,并獲評謳歌改革開放的歌唱家。2019年1月,參加“春滿東方·2019東方衛視春節晚會”的錄制。2月4日,參加2019年中央廣播電視總臺春節聯歡晚會,與劉和剛,王莉,湯非演唱歌曲《難忘今宵》。2020年1月,獲聘湖南省文史館館員。1月24日,在《2020年中央廣播電視總臺春節聯歡晚會》與湯非,云飛,扎西頓珠,龍婷一同演唱《難忘今宵》。12月18日,入選2020中國品牌人物500強,排名162。2021年2月12日,參加《2021年中央廣播電視總臺春節聯歡晚會》,與劉和剛,霍勇,伊麗媛,張心心演唱歌曲《難忘今宵》。2022年2月1日,參加《2022年中央廣播電視總臺春節聯歡晚會》,與楊洪基,霍勇,伊麗媛演唱歌曲《難忘今宵》；2月2日,與伊麗媛等人為情景喜劇《冬奧一家人》演唱的同名主題曲MV發布；10月14日,參加的《角兒來了》戲·歌薈萃在中央電視臺戲曲頻道播出。

李谷一2008年5月12日,在中央電視臺承辦的《愛的奉獻》—抗震救災募捐活動中捐助了6萬善款。2017年11月,擔任湖南省119”消防安全宣傳月消防公益使者。