李存信早年为牧羊奴，因为聪慧机敏而多计谋，通晓四夷语言，能识别六蕃书，善于战事，懂得兵势，成为沙陀军
李国昌的亲信。
黄巢起义军攻陷长安后，
唐僖宗赦免李克用叛乱之罪，命其率军入关勤王。
李克用于是率领大军进入关中，平定黄巢起义。李存信一直跟随作战，屡有功勋，被李克用收为义子，赐名李存信，在十三太保中排行第四。大顺元年（890年），累功迁至马步军都指挥使，与
李存孝击张浚军于
平阳。
当时李存孝骁勇冠绝，军中皆对他退让，惟独李存信与他争功，因此互相厌恶对方，形同水火。及至其后平定潞州，李存孝以其此军功冀望领节度，既而
康君立被授旄钺，李存孝因而大怒，大肆剽掠潞州居民，烧毁城中房屋，言发流涕，怀疑李存信排斥自己之原故。次年，李存孝取得邢、洺二州，李克用授与他
节钺。李存孝忧虑李存信离间，意欲立下大功以胜存信，屡次向李克用请兵，又请求兼任镇、冀二州，因李存信进行离间，李克用不准许。大顺二年（891年），李克用大举侵略山东地区，以李存信为蕃汉马步都校，李存孝听闻后大怒，李克用又下令李存信取代他，李存孝因而谋叛。
李存孝既诛，以李存信为蕃汉都校。跟从李克用讨伐李匡俦，招降
赫连铎、白义诚，以军功检校右仆射，又跟从李克用入关讨伐
王行瑜，加为检校
司空，领郴州刺史。
乾宁三年（896年），宣武节度使
朱温攻打兖州泰宁军节度使朱瑾及郓州天平军节度使
朱瑄，两人向李克用求救，李克用派遣李存信假道
魏博，屯兵于莘县，与朱瑄合势以抵抗宣武军。朱温以为大患，遂遣使离间魏博节度使
罗弘信。因李存信军纪不严，屡次劫掠魏博居民，激怒了罗弘信，遂与朱温结盟，乃出兵三万以攻河东军。李存信敛众而退，为魏博军所薄，丢弃辎重，退保洺州，损失两、三成军士。李克用大怒，出师进攻魏博，屠杀陷落的诸邑。五月，李存信驻军于洹水，宣武军将领
葛从周、
氏叔琮到来援魏博军，李存信与
李克用之子铁林都将落落遇宣武军于洹水以南，
宣武军为陷马坎以等待，李存信战败，落落被擒杀。 九月，李存信打败葛从周于宗城，乘胜至魏州的北门。
四年（897年），听闻
兖州、
郓州皆陷落，乃班师回河东。八月，跟从李克用讨伐燕王
刘仁恭，大军驻扎
安塞，结果因醉酒误事，被刘仁恭的大将单可及和杨师侃击败。李克用大怒，严词责备李存信，将杀之。李存信惧怕，顿首谢罪，险遭不测。
自此以后，李存信锐气全无，经常称病，不再随从
李克用出战。李克用以兵权授与
李嗣昭，只封李存信为右校。天复二年（902年）十月，因病死于晋阳，死时41岁。
李存信，本姓张，父君政，回鹘部人也。大中初，随怀化郡王李思忠内附，因家云中之合罗川。存信通黠多数，会四夷语，别六蕃书，善战，识兵势。初为献祖亲信，从武皇入关平贼，始补军职，赐姓名。大顺中，累迁至马步都校，与李存孝击张浚军于平阳。时存孝骁勇冠绝，军中皆下之，惟存信与争功，由是相恶，有同水火。及平定潞州，存孝以功望领节度，既而康君立授旄钺，存孝怒，大剽潞民，烧邑屋，言发流涕，疑存信摈己故也。明年，存孝得邢、洺，武皇与之节钺。存孝虑存信离间，欲立大功以胜之，屡请兵于武皇，请兼并镇、冀，存信间之，不时许。大顺二年，武皇大举略地山东，以存信为蕃汉马步都校，存孝闻之怒，武皇令存质代之，存孝乃谋叛。既诛，以存信为蕃汉都校。从讨李匡俦，降赫连铎、白义诚，以功检校右仆射，从入关讨王行瑜，加检校司空，领郴州刺史。
乾宁三年，兖、郓乞师于武皇，武皇遣存信营于莘县，与朱瑄合势以抗梁人。梁祖患之，遣使谍罗宏信曰：“河东志在吞食河朔，回军之日，贵道堪忧。”而存信戢兵无法，稍侵魏之刍牧，宏信怒，翻然结于梁祖，乃出兵三万以攻存信。存信敛众而退，为魏人所薄，委弃辎重，退保洺州，军士丧失者十二三。武皇怒，大出师攻魏博，屠陷诸邑。五月，存信军于洹水，汴将葛从周、氏叔琮来援魏人，存信与铁林都将落落遇汴人于洹水南，汴人为陷马坎以待之，存信战败，落落被擒。九月，存信败葛从周于宗城，乘胜至魏州之北门。明年，闻兖、郓皆陷，乃班师。八月，从讨刘仁恭，师次安塞，为燕军所败。武皇怒谓存信曰：“昨日吾醉，不悟贼至，公不辨耶！古人三败，公姑二矣。”存信惧，泥首谢罪，几至不测。自光化已后，存信多称病，武皇以兵柄授李嗣昭，以存信为右校而已。天复二年十月，以疾卒于晋阳，时四十一。
存信，本姓张氏，其父君政，回鹘李思忠之部人也。存信少善骑射，能四夷语，通六蕃书。从太祖起代北，入关破黄巢，累以功为马步军都指挥使，遂赐姓名，以为子。存信与存孝俱为养子，材勇不及存孝，而存信不为之下，由是交恶，存孝所为，存信每沮激之，存孝卒得罪死。而存信数从征伐，以功领郴州刺史。太祖遣将兵救朱宣，存信屯于莘县，为罗弘信所击，存信败，亡太祖子落落。后从太祖讨刘仁恭，大败于安塞。太祖大怒，顾存信曰：“昨日吾醉，公不能为我战邪？古人三败，公已二矣。”将杀之，存信叩头谢罪而免。由是大惧，常称疾，天复二年卒，年四十一。