1892年生，陕西绥德人。1917年考入北京大学预科，五四运动中加入李大钊创建的北京大学马克思学说研究会。1920年至1922年，参与进步刊物《秦钟》、《共进》半月刊的创办和陕西旅京青年进步组织共进社的创建。1923年初加入中国共产党。

1924年秋，李子洲任绥德陕西省立第四师范校长，聘请进步知识分子来绥师任教，向学生传播马克思主义；把大量精力放在创建中共和青年团在陕北的地方组织上。1926年1月，领导建立中共绥德支部并代理支部书记，先后在榆林中学、延安省立第四中学建立中共和共青团组织。1926年6月，在绥德省立四师建立中共绥德地方执委会，统一了陕北各地中共组织的领导。绥德省立四师成为陕北革命的策源地和活动中心，被誉为“陕西的上海大学”。

1927年2月下旬，李子洲任中共陕甘区执委会委员并负责组织工作。在他和战友们的努力下，不到半年时间，中共和共青团组织在陕甘40多个市县普遍建立，党员发展到2400多人。

1927年7月，李子洲任中共陕西省委常委兼组织部部长。受省委派遣，到武汉向中共中央汇报请示工作。9月上旬回陕，向省委常委传达了“八七”会议精神和中共中央对陕西工作的指示，并和耿炳光主持召开省委第一次扩大会议，会议正式选举发生了中共陕西省委领导成员，李仍任省委常委兼组织部部长，并负责省委军事工作，筹划武装起义。10月，中共陕西省委在清涧发动武装起义，打响了西北地区武装反抗国民党反动派的第一枪。1928年1月，李又参与渭华起义的准备。

同年11月，省委书记潘自力被捕，李子洲代理省委书记。1929年初，由于叛徒出卖，李子洲和其他负责人先后被捕。在狱中，李子洲坚贞不屈。

1929年6月18日，李子洲病逝狱中，年仅38岁。后被追认为革命烈士。1944年2月，中共中央西北局和陕甘宁边区政府将1942年建立的绥西县改为子洲县，以志纪念。