台大公衛學士碩士畢業後，於 1981 年前往美國唸書，結識洪哲勝後，於 1983 年加入台獨聯盟美國本部，並與郭倍宏共同成立「台灣學生社」，集結年輕世代加入台獨運動，並積極組織串連各地台灣學生。1988 年獲得北卡羅萊納大學醫療經濟學博士，後來任教於美國南達科塔大學，也於 1989 年拿到台大聘書，卻因為黑名單無法回台任教。1990 年接任台獨聯盟副主席，配合黑名單闖關回台，1990 年 7 月偷渡回台，他在各大重要地點自拍，經常投稿黨外雜誌，在台灣潛伏長達一年二個月，據他自述：「我用我的方式對抗，一種嘲謔而不流血的抗爭，一種非暴力但不屈服的抗爭。國民黨越想抓到我，動用的人力越多，對我的指控越強烈，我達到的抗爭效果越大。我沒有傷害任何人，但我的存在，我的遊走，就是凸顯執政者荒謬與不合理最犀利的武器。」直到 1991 年 9 月被捕，與張燦鍙、王康陸、郭倍宏、陳榮芳被關押在土城看守所，刑法 100 條修改後，李應元於 1992 年 5 月被釋放。
李應元黨政歷練豐富，除了擔任過立法委員、駐美副代表、環保署署長、勞委會主委、行政院秘書長、雲林縣副縣長、民進黨秘書長等職。他善於調和鼎鼐、居中折衝、不可多得的行政人才，也是意志堅定、勇於承擔的台獨運動者。2004 年維護本土政權繼續執政，由李登輝前總統擔任發起人、台獨聯盟主席黃昭堂擔任總召的「牽手護台灣」活動，是台灣有史以來規模最大的政治運動，超過 200 萬人參加、在全台串成 500 公里長的人鍊，時任民進黨副秘書長的李應元，在這次活動擔任總幹事，居功厥偉。
2018 年民進黨地方選舉大敗，因而請辭。2020 年第二次本土政權完全執政，李應元被派駐泰國擔任代表。