1944年11月10日出生于云南省昆
明市官渡区。1959年，考入湖南艺术专科学校。1961年，毕业于湖南省艺术学院（现湖南师范大学）舞蹈专修科，以优美的嗓音条件，被选入湖南省花鼓戏剧院任演员。
1964年，演唱花鼓戏《补锅》，获湖南省和中南五省戏剧汇演优秀奖，曾受到毛泽东、周恩来的亲切接见。1965年《补锅》拍成电影，在全国各地放映，产生相当大的影响。。
1970年，因演出花鼓戏《补锅》， “在文化大革命”中被视为修正主义黑苗子，她父母的家被抄，李谷一被下放到偏穷的瑶寨6年，要靠着劳动工分吃饭。
1974年，经过三次考试，被中央乐团录取，任独唱演员。她在交响乐《智取威虎山》中，担任主要角色小常宝，同时在演出中演唱了多首歌剧选段及传统民歌，大获好评，在歌坛崭露头角，先后出访了澳大利亚、新西兰、美国、香港。
1976年，为电影《南海长城》配唱主题曲《永远不能忘》。在之后的几年里，先后为上百部电影录制歌曲，80年代，出现了“每片必歌，每歌必李谷一”和“李谷一垄断电影歌曲”的现象。
1980年，演唱中国内地第一首流行歌曲《乡恋》，引发争论和批判。
1981年至1982年，两次与美国纽约交响乐指挥家吉尔伯合作，演唱交响乐组曲，其中演唱的中国的《三江组曲》获文化部二等奖。
1983年，参加首届春晚，是央视春晚正式登台的第一位歌手，在观众的点播下献唱了《乡恋》等9首歌曲。
1984年，参加春晚，演唱了6首歌曲，其中《难忘今宵》成为后来三十年春晚的结束曲。1984-1985年参加了大型音乐舞蹈史诗《中国革命之歌》的演出和电影拍摄工作，受到邓小平等党和国家领导人的亲切接见，获文化部表演一等奖。。
1985年，在法国巴黎和荷兰阿姆斯特丹、鹿特丹等地举办了独唱音乐会，成为中国大陆第一位在这些国家举办独唱音乐会的歌手。同年，为振兴花鼓戏，又在家乡湖南举办多场音乐会。
1986年，筹备了4年的中国轻音乐团正式成立，李谷一任团长。在李谷一带领下，全团演出达千余场。曾奔赴云南老山前线慰问演出；为美国总统里根访华演出；出国访问演出；参加了许多重大的社会和政治活动，受到文化部、地方政府、部队的多次表彰。同时，中国轻音乐团努力创作出诸多的原创作品，为国家培养出一批优秀的歌唱家、歌手和演奏家。中国轻音乐团，是中国大陆第一个国家级的轻音乐和流行音乐团体，为我国音乐园地增添了新的品种；在改革开放之中，为大陆轻音乐事业发展起到了带头和示范作用。
1988年，被具有权威性的美国传记协会列入《世界杰出人物录》。
1989年，获广电部中国唱片社颁发的首届“金唱片奖”。八十年代末九十年代初，她演唱的《前门情思---大碗茶》、《故乡是北京》、《四合院儿》等，以一种别开生面，令人熟悉却又新颖的歌唱形式--戏歌，受到欢迎，艺术生涯再攀高峰。
1991年，获文化部“优秀演员奖”、“新曲目优秀奖”。
1996年，调入东方歌舞团任党委书记、副团长。
1999年，获CCTV-MTV(中国中央电视台与美国MTV电视台)颁发的“终身成就奖”。
李谷一是唯一的连续担任了中央电视台青年歌手大奖赛，第一届至第十三届评委的艺术家。同时，她还多次担当日本、法国、南斯拉夫、德国、哈萨克斯坦以及香港等国家和地区流行乐坛大赛的评委。
曾任全国政协第六、七、八、九、十届委员，中国大众音乐协会主席，中国音乐家协会第五、第六届副主席，中国东方演艺集团顾问。
2015年6月18日，任中国音乐家协会第八届顾问。
