1933年生于北京，曾就读于清华大学哲学系。1952至1953年，在中国科学院考古研究所参加编著《殷虚文字缀合》。1954年起，在中国科学院（后属中国社会科学院）历史研究所工作，历任研究实习员、助理研究员、研究员，1985至1988年任副所长，1991至1998年任所长。中国社会科学院学术委员会成立后，任第一、二届委员。任九届全国政协委员，二至四届国务院学位委员会委员、中央文史研究馆馆员。
现任清华大学出土文献研究与保护中心主任、历史系及思想文化研究所教授、国际汉学研究所所长，“夏商周断代工程”首席科学家、专家组组长，中国先秦史学会名誉理事长，楚文化研究会名誉理事长，中国钱币学会副理事长，国家文物鉴定委员会委员等。
1984年获国家“有突出贡献的中青年专家”称号，1991年获国务院“政府特殊津贴”，2001年获“九五国家重点科技攻关计划突出贡献者”称号，2002年获“全国杰出专业技术人才”称号，2013年获首届汉语人文学术写作终身成就奖，获2013年度孔子文化奖，2014年获“全球华人国学奖终身成就奖”。
自上世纪70年代后期起，多次在欧美亚澳及港台地区任教讲学，如：1981至1982年任英国剑桥大学克莱亚堂客座院士，1985年任日本关西大学客座教授，1988年任澳大利亚国立大学远东史系客座教授，1990年任美国加利弗尼亚（伯克利）校聘教授，1993年起任泰国华侨崇圣大学名誉教授，1998年任美国达默思大学蒙哥马利教授，2001年任台湾清华大学中文系客座教授。2003年任韩国明知大学客座教授。2012年获香港浸会大学荣誉博士。1986年被推选为美国东方学会荣誉会员。1997年当选为国际欧亚科学院院士。
学科范围是中国先秦史和古文字学，涉及甲骨学、青铜器研究、战国文字研究和简帛学等各方面。在甲骨学研究中，建立了殷墟甲骨“两系说”的分期理论，发展了“非王卜辞”的研究，并首先鉴定出西周的甲骨文。在青铜器研究中，强调“形制、纹饰、铭文、功能和工艺”五因素综合研究，推动制订西周金文历谱，在分期上取得新成果。在战国文字研究中率先提出进行综合研究，提出“五系说”，使这一学科分支趋于成立。在简帛研究中，参加整理马王堆帛书、睡虎地秦简等多种珍贵材料，2008年以来全力主持整理清华简，将简帛学与学术史研究结合起来，有明显成绩和影响。
主要著作有《殷代地理简论》（1959）、《东周与秦代文明》（1984）、《新出青铜器研究》（1990）、《比较考古学随笔》（1991）、《周易经传溯源》（1992）、《简帛佚籍与学术史》（1994）、《走出疑古时代》（1995）、《古文献丛论》（1996）、《四海寻珍》（1998）、《夏商周年代学札记》（1999）、《重写学术史》（2001）、《中国古代文明十讲》（2003）、《中国古代文明研究》（2005）、《青铜器与古代史》（2005）、《李学勤早期文集》（2008）、《文物中的古文明》（2008）、《通向文明之路》（2010）、《三代文明研究》（2011）、《初识清华简》（2013）等20余种，学术论文近600篇。有的已有英、日、韩译本，多种获奖。
