李怀光是渤海....族人。本来姓茹，他的祖先从幽州迁来。他父亲茹常任朔方将领，因战功赐姓李，改名叫嘉庆。李怀光从小参军，以武艺高、强壮、勇敢出名，朔方节度使郭子仪对他越来越看重。上元年间，官升到太仆、太常卿，主管右衙军队，爵位升到开府仪同三司，任朔方军都虞候。永泰初年，封爵食实封三百户。大历六年(771)，兼任御史中丞，隔了一年，兼任御史大夫、升任军都虞候。生性清约勤勉严厉勇猛，而且敢于执法，即使亲戚违反军法，都不宽减回避。郭子仪生性宽厚，不亲自管理军中事务，执法由李怀光掌握，军中兵将尤其敬畏他，也称赞他军队治理得好。大历十二年(777)，因母亲去世离职。第二年，起用他仍任原任官职，又兼任..、宁、庆三州都将。
唐德宗即皇帝位，免去郭子仪节度副元帅职务，将他管辖的地区划分给各位将领，于是封李怀光复任检校刑部尚书，兼任河中尹、..州刺史、..宁庆晋绛慈隰节度支度营田观察押诸蕃部落等使。此前，李怀光连续几年带兵在长武筑城用来驻扎军队，城位于原州前端，临近泾水，俯视交通要道，吐蕃从此不敢向南入侵，成了西边的要塞。建中初年，泾原、四镇节度使段秀实因宰相杨炎厌恶，被征调任司农卿。皇帝将要再在原州筑城，就任命李怀光兼任泾州刺史，泾原、四镇、北庭节度使。当时李怀光泄私愤，刚杀了朔方旧将温儒雅等几人，泾州兵将都害怕他。刘文喜利用大家不想要他统率，就据城叛变。皇帝下诏命朱氵此和李怀光率军征服了他们。加封李怀光为检校太子少师。建中二年(781)，又加封检校左仆射，兼任灵州大都督、单于镇北大都护、朔方节度支度营田观察盐池押诸蕃部落六城水运使，封爵食实封四百户。..宁节度等使职务同以前一样。
当时马燧、李抱真等军共同攻打魏城没攻下，朱滔、王武俊也都反叛了，合兵援救田悦。建中三年(782)，皇帝下诏派李怀光率朔方步、骑兵一万五千名去共同征讨田悦。李怀光有勇无谋，到魏城的当天，营寨还没修筑，就和朱滔等在惬山大战，被朱滔等打败。又遭田悦决河水冲淹，各军情况不好，就和马燧等带兵退到魏县。不久加封为同中书门下平章事，增爵食实封两百户。从此和朱滔等对峙没有作战。第二年十月，泾原军队叛变，皇帝逃到奉天。朱氵此已自立国号，皇帝派宦官骑马告诉河北众将，李怀光带兵火速勤王。当时道路泥泞，李怀光激励兵将，从蒲津渡过黄河，在醴泉打败了朱氵此的骑兵，直奔奉天。前几天，他先派偏将张韶带着奏章藏在蜡丸里随着叛军攻城，乘机会越过壕沟，对城上人喊道：“我是朔方军的使者。”就拉着绳子爬上城去，等上了城，身上中了几十箭。当时皇帝在重重包围之中，守城形势非常危急，知道李怀光的军队来了，命张韶在城上宣布这消息，军心才安定了。李怀光又在鲁店打败了朱氵此军队，朱氵此才解围退回长安。
李怀光生性粗暴浅薄自负，一路上多次说卢杞、赵赞、白志贞都是奸臣，并且说：“天下混乱，都是因为这些人，我见了皇上，将请求杀了他们。”卢杞等暗地知道了，很害怕，因此劝说皇帝命李怀光乘胜追击朱氵此，收复京城，不能让他到奉天来，唐德宗同意了这意见。李怀光在咸阳驻军，多次奏本揭露卢杞等人的罪状恶行，皇帝不得已为此贬卢杞、赵赞、白志贞的官来安抚他。他又奏本告宦官翟文秀，他也是皇帝信任重用的，皇帝又杀了他。李怀光既不敢进兵，拖延了时间又怕受惩罚，因此想叛乱。先前，皇帝下诏派崔汉衡出使吐蕃，要求吐蕃派兵帮助收复京城，吐蕃宰相尚结赞说：“按吐蕃的规矩，进兵以掌兵大臣的官印和意见为凭证。现接到你们的文书，没有李怀光的签名和官印，因此不敢进兵。”皇帝听了，派翰林学士陆贽到李怀光这里来商议借用吐蕃军队，李怀光多次坚持说不行，不肯在文书上签名，言语不敬，并对陆贽说：“你有什么能耐？”兴元元年(784)二月，皇帝下诏加封他为太尉，并赐给他铁券，派李升和宦官邓鸣鹤去送铁券和宣读诏书。李怀光大怒，把铁券扔到地上说：“凡是臣子反叛，才赐给铁券，现赐给我，是叫我反叛。”言语态度更加放肆，众人听了感到害怕。
当时李怀光部下将领韩腢带部队在奉天，李怀光就给他写信，约时间命他反叛，他秘密报告了这事。第二天，李怀光又派人催促他，他又报告了。几天后，李怀光又派人催他，被守城门的抓住了。李怀光又公开说：“我现与朱氵此联合，皇帝应该躲开。”因此皇帝急忙逃到梁州。当时李晟已经将军队移驻东渭桥，李怀光又劫持李建徽、阳惠元等，吞并了他们的军队，移驻好田寺，他的部下很多人不想叛变。此前朱氵此很害怕他，到这时想乘机要他称臣。李怀光掳掠不到东西，更加害怕站不住脚，过了二十天，就指挥军队分为几支，掳掠泾阳、三原、富平，经同州开往河中。神策军将领孟涉、段威勇率兵三千多人从三原逃离投奔李晟，李怀光无法阻拦。韩腢杀死李怀光的留后张昕，率..州归顺皇帝。戴休颜在奉天对军队宣布说：“李怀光已经反叛。”就命令守城并写奏章报告。皇帝于是任命韩腢、戴休颜为节度使。又解除了李怀光太子太保的爵位，罢免了他其余的官职，他管辖的地区委托军队选一名功劳大威望高的人统管，但没有人响应诏书。四月份，李怀光到达河中，又窃据同、绛等州，按兵不动观望形势。
李晟收复了京城，皇帝派给事中孔巢父、宦官啖守盈带诏书调他进京，李怀光穿白色服装接受命令。孔巢父就对众人大声说：“李怀光军中谁能掌管军中事务？”李怀光的侍从都是胡人，因此发怒了，乱挥兵器杀死了孔巢父和啖守盈，从此整理军备增加防御设施。皇帝回到了京城，任命浑王咸为河中节度副元帅，率兵讨伐李怀光。浑王咸攻占了同州，就驻守不进攻了，几次被李怀光打败。当时连年旱、蝗灾，京城刚收复，军需供应不上，上奏的人多请求赦免李怀光。当时河东节度使马燧威望名声一直很高，于是加封马燧为副元帅，和浑王咸及镇国军节度骆元光、..宁节度韩腢、..坊节度唐朝臣合兵一起讨伐李怀光。马燧率兵攻占绛州，到了宝鼎，怕李怀光西逃，侵犯京城，就离开军队进京朝拜。归来后，和浑王咸先从河东召降了李怀光的勇将尉王圭、徐庭光，统率各军包围了河中。贞元元年(785)秋天，朔方军将领牛名俊割下李怀光的头投降了马燧，李怀光的儿子李王隹用刀杀死了他的几个弟弟，就自杀了。李怀光死时享年五十七岁。不久皇帝下诏立一个儿子做继承人，赐给他庄园住宅各一处。又送还了李怀光的尸体和头，让他收拾安葬，把李怀光的妻子和儿子都迁到澧州。贞元五年(789)，又下诏书说：
“怀念故人的功劳，是重要的仁德；兴复灭绝的家族，是重要的义举。过去蔡叔家族衰败，周公把他的儿子封为东方诸侯，韩王信反叛，汉文帝把他的儿子封为弓高侯。侯君集不遵王法，太宗皇帝保留他的后代主持祭祀。详细考查先王的做法，以至祖先的教诲，都是用刑法来辅佐仁德，使人守法，用斧钺施刑、甲兵征讨，是不得已才做的事。前几年叛贼突然叛乱，国家前途堪忧，我移居京郊，约期讨伐，要调动讨逆大军，讨平叛逆，征调军队的命令没传达到各军，卫兵正遭精锐敌军进攻，情况危急。李怀光率军先发，从千里外来救援，上顺天意，赶走了暴虐的叛军。我正要论功行赏，可惜他不终守臣节，暗萌叛意，违背我的命令，背叛国家与叛逆勾结，放弃忠君选择叛逆。做臣下到这地步，按国法定要杀头，我还招抚他，希望他回心转意，但他叛行愈显，一意孤行，大兵讨伐，竟至灭门。虽然他咎由自取、自绝于国家和人民，但怀念他有功劳，却成为孤鬼无人祭祀，想起来心里不安，因此感到难过。我想大发慈悲，用这改变风气。保持太平，希望无人违法。应将李怀光外孙燕八八赐姓李，改名承绪，任命为左卫率府胄曹参军，成为李怀光继承人。还赐钱一千贯，让他任意在李怀光墓边购地建庄园，侍奉赡养李怀光的妻子王氏，并谨守四季祭祀礼节。啊！我虽不够仁德，却要管理万民，原谅别人的过失，是我的愿望。你应继承家业，尽力持家，努力继续像你父亲那样为国立功，不要像他那样违背命令。”
当初，李怀光被杀，他的儿子李王隹、李瑗都死了，只有他的妻子王氏还在。因此皇帝特地免她一死。到这时又怀念李怀光旧日的功劳，对他没有后人感到难受，就命令李承绪继承他。