祖籍是真定府欒城縣，於公元1192年生於大興城。父親李遹曾在大興府尹胡沙虎手下任推官，讀過醫學律學，後又改學六經詞賦，博學多才。母親王氏，是李遹的第三個妻子。李冶有兩個同父異母的弟兄，和兩個同胞姐妹。李冶原名治，後來發現與唐高宗相同，於是改為冶。童年的李冶在元氏縣求學，據《元朝名臣事略》記載，李冶喜愛讀書，「手不釋卷」，性格聰穎，「有成人風」。
1213年，胡沙虎廢黜衛紹王完顏永濟，將其毒死，另立宣宗。李遹目睹朝綱敗壞，心灰意冷，託病辭職回到陽翟隱居。這件事對李冶影響很大。李遹隱居後，李冶也遷來河南居住，並與常常登門求教李遹的元好問結交。
興定元年（1217年），李冶隨元好問到汴京向禮部尚書趙秉文求教，並拜趙秉文為師。後來又一起拜翰林楊雲翼為師。楊雲翼通曉曆法算學，曾在司天台任職，後任禮部尚書，和趙秉文合稱「趙楊」。到了正大年間，兩人已與趙楊齊名了。金哀宗正大七年（1230年），李冶赴洛陽應試，中進士，同年得高陵主簿官職。但由於蒙古軍已經攻入陝西，於是被派往鈞州任知事兩年。
1232年正月，蒙古軍攻破鈞州，李冶不願投降，只得微服北渡黃河，流連於忻山和崞山之間，生活十分辛苦，最後在桐川定居。在此期間，李冶父親病逝。1234年，金朝滅亡。李冶至此無心做官，潛心研究學問。這時李冶生活艱苦，但仍以研究學問為樂。他的研究工作涉及數學、文學、歷史、天文、哲學、醫學。1240年，他得到一本叫做《洞淵九容》的算書，主要探討勾股容圓（也就是現代幾何學里直角三角形的內切圓）的問題。這本書使得李冶開始將主要精力放在研究數學之上。1248年，李冶寫成《測圓海鏡》十二卷，在前人的基礎上改進出「天元術」，以「天元」作為未知數的記號來求解方程。
李冶在桐川與元好問來往甚密，常常在一起吟詩唱和，世人稱為「元李」。這個時期元好問的詩作中如《桐川與仁卿飲》、《和仁卿演太白詩意二首》等等中的「仁卿」就是指李冶。
李冶隱居著書時，生活艱苦，有時也要求諸他人。當時當地的管理和名儒都賞識他的學問。聶珪、張德輝、王鶚等都曾經給予他不同程度的幫助。
1242年，李冶到河南陽翟領父親遺體，安葬於祖塋，並請元好問為父親作墓誌銘。
李冶寫成《測圓海鏡》後不久，曾遷居太原。藩府官員曾請他出仕，被他拒絕。後來又流落平定，平定侯聶珪很敬重他，把他接到帥府居住，而並不勉強他做官。
1251年，李冶的經濟情況有所好轉，便回到元氏縣居住，在封龍山下買田隱居講學。後來學生漸多，達到數十人，家中已經容納不下，於是在北宋李昉讀書堂故基上建起封龍書院。李冶不僅教授數學，也教授文史儒學。王德淵稱讚李冶「於六藝百家，靡不串貫」[10]李冶在封龍書院講學共二十餘年，門下學生極多，培養出了大批人才。在李冶門下求學的有日後的元朝中書右丞相史天澤、集賢學士焦養直、廉訪僉事張翼、翰林纂修承直郎王德淵等等。李冶與張德輝、元好問一起，號稱「龍山三老」。1257年，忽必烈曾在上都開平召見李冶，向他請教用人治國之道以及對不久前發生的地震的看法，李冶對答有度，稱治國之道不外乎「立法度、正紀綱」，主張用人唯賢，賞罰分明，被忽必烈嘉許。1259年，李冶寫成另一部數學著作：《益古演段》。
1260年忽必烈登位後，欲聘請他為官，但李冶以老病為名，婉言拒絕。1264年，元朝為編寫遼、金、元歷史，設立翰林學士院。1265年李冶被召為翰林學士，就職一年之後，又以年老多病為理由辭官，繼續在封龍山隱居。
1279年，李冶在家中去世，享年88歲。
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