1963年毕业于清华大学工程物理系。同年起在中国科学院高能研究所工作，历任助理研究员、副研究员（1978）、研究员（1986）、宇宙线与高能天体物理开放实验室学术委员会主任等职。2000年起任清华大学物理系教授。曾主持中国科学院重点科研项目“宇宙线高能天体物理研究”（1987～1990）以及三项国家自然科学基金重点项目“天体高能过程的空间观测与研究”（1992～1995）、“天体高能辐射的物理过程”（1998～2001）和“微波背景辐射数据分析与研究：宇宙学参数与早期宇宙”（2010～2014）。曾任“973”国家重点基础研究发展规划“天体高能辐射的空间观测与研究”项目首席科学家。曾获1978年全国科学大会奖、1987年国家自然科学三等奖、1988年中国科学院科技进步二等奖、2001年中国物理学会王淦昌物理奖、2006年何梁何利基金科学与技术进步奖。其专著《实验的数学处理》获得1977～1981年度全国优秀科技图书奖。1997年当选为中国科学院院士。

李惕碚主要从事宇宙线物理和高能天体物理方面的研究。1963年开始，参加云南高山站大云雾室系统的安装及调试，并在云南高山站进行了多年宇宙线研究，负责大云室机电系统和高山宇宙线电磁簇射研究项目及重质量粒子事例的数据分析，获1987年国家自然科学三等奖。20世纪70年代开始倡议并组织开展了中国宇宙线天体物理和高能天体物理的实验研究，领导建设高能天体物理实验室，主持研制球载大型硬X射线望远镜并进行对天体高能辐射的空间观测，1988年获中国科学院科技进步二等奖，在世界上首次用准直调制望远镜实现了对硬X射线天体的高精度成像。80年代初，建立了银河γ射线的统计模型，首次给出银河宇宙线产生高能γ射线的定量估计，并指出2CG星表中的宇宙γ射线点源约有一半是不真实的，经过多年争论后，这一模型的正确性被观测证实。建立了寻找超高能天体的计算公式，被国际学术界称为李-马准则，已成为宇宙线和高能天体物理数据分析的一个标准方法。除此之外建立了对象重建的直接解调方法，获得日益广泛的应用。还发展了在时域上研究快速变化现象的一套新方法，以及建立天鹅座X-3γ辐射模型、γ射线暴的等离子体放电模型等。