李懷光年輕時從軍，以勇猛著。他執法嚴明，即使是親戚犯法，也從不寬恕。郭子儀性情寬厚，不親自過問軍中事務，委任李懷光主管軍紀，軍中十分畏懼他。大曆十二年，因為給母親守喪而罷職。第二年，恢復原來的官職。
德宗即位之前，李懷光連年率兵修築長武城以便駐軍。長武城位於原首，靠近涇水，俯瞰通道，吐蕃從此不敢南侵。建中(780 ~783)初年，段秀實因遭到宰相憎恨，被召人朝。皇上準備重築原州城，於是任命他兼任主管。當時他出於私憤，誅殺了朔方舊將，涇州軍士都心生疑懼。有人趁機據城謀反。皇上詔令他出兵討伐，他率大軍前去，將其平定。因此得到了皇帝的加任。
當時諸軍共同討伐魏城未能取勝，而幾個將領都反叛朝廷，而且商量合兵援救田悅。建中三年(782)，皇帝詔令他統率朔方軍步騎兵討伐叛軍。他有勇而無謀，到達魏城那天，還沒紮下營壘，就和敵軍在愜山大戰，結果被打敗。敵將又放水淹沒官軍，各路軍隊紛紛失利，於是他退兵到魏縣。不久他被加封增加實封二百戶。此後，他和敵軍相持不戰。
第二年十月，涇原軍士發動兵變，皇上到奉天(今陝西咸陽乾縣)避難。朱此篡位稱帝后，皇上派宦官快馬傳告河北各各軍的統帥，他於是率軍赴命出兵討伐。當時正值下雨，道路泥濘，他激勵士兵，抄小路從黃河渡過，在醴泉打敗對方的騎兵，直接到達了皇帝避難所在地。
他先派偏將張韶攜帶蠟書混進攻城的叛軍陣中，趁機越過城壕，呼喊城頭的士兵說:“我是朔方軍使者。守兵用繩子將他拉上城牆。當時皇帝陷在城中，情勢十分危急，當得知李懷光的軍隊到來，便命張韶等人傳告眾人，人心這才安定。李懷光又在魯店打敗朱泚的軍隊，朱泚於是解圍而退。
李懷光性情暴烈，粗疏固執，一路上多次說盧杞、趙贊、白志貞等人奸佞，並說:“天下大亂，就是因為這些人，等我見到皇上，一定要奏請誅殺他們。”盧杞等人聽說後，十分害怕，於是勸說皇上下令他一鼓作氣，大敗敵軍，收復京城，不讓他到奉天，德宗同意了。他駐軍在咸陽，多次上表揭露奸佞的罪惡，皇上不得已，就只能按照他的意思貶謫了那些人以寬慰他。他又上書陳述宦官翟文秀的罪惡，皇上本來十分信任翟文秀，不得已只好殺了他。
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