黄埔军校毕业后，参加国民革命军任初级军官。

1926年夏，随叶挺先遣独立团参加北伐战争，任叶挺先遣独立团排长。在汀泗桥战斗中身上6处负伤。北伐军占领武汉后，入黄埔军校武汉分校政治科学习。还曾担任武汉地区工人纠察队中队长和大队长。

1927年加入中国共产党，参加第二次东征和北伐战争，曾任国民革命军第四军排长，武汉工人纠察队队长。汪精卫叛变革命致使第一次大革命失败后，转入贺龙领导的国民革命军第二十军任连长，并随部参加南昌起义。随起义军南征广东潮汕途中，在汕头再次作战时负伤，送到香港医治，伤愈后返广州，在三河坝同朱德取得联系，到所部任营长，不久,朱德派他回耒阳组织农民武装斗争，从事农民运动。

1928年1月率随部参加湘南起义，在耒阳组建农民武装，在工农革命军配合下率农军攻克耒阳县城。3月，成立苏维埃政府，他被推选为耒阳县苏维埃政府军事委员会主席。曾指挥春江铺阻击战。立即组建县赤卫大队，并在全县普遍建立区乡赤卫队，率赤卫队在本县哲桥、三益、春江铺一带阻击进犯之敌。在保卫新生的红色政权中初显军事才华，指挥耒阳县3000农军收复县城。4月，随朱德上井冈山。5月，任中国工农红军第四军红28团第3营10连连长，参加巩固发展井冈山根据地的五斗江、草市坳、龙源口等数十次反“围剿”作战。

1929年1月率部转战赣南、闽西开辟根据地，在大柏地战斗中负伤，留东固养伤。后在赣南红军中任职。　1930年1月任红六军（后改称红三军）第二纵队五支队支队长、第二纵队纵队长、纵队司令员，指挥部队配合伍中豪所率的红四军第三纵队，歼敌郭凤鸣部于长岭寨，攻克沙塘湾土围子，杀得敌人胆战心惊。参加了在瑞金大柏地全歼敌两个团和进占长汀、兴国、宁都等一系列战斗，并率部参加文家市、围攻长沙和攻克吉安等战斗。10月，任江西省苏维埃政府军事委员会委员，担任赣南红军学校领导人。

1931年春调往湘赣革命根据地（湘赣革命根据地包括赣江以西、袁水以南、粤汉铁路以东、大余以北的广大地区，约20余县，人口100余万），任湘东南独立师师长，率部连克资兴县保安团和永新县挨户团，并攻下两县县城，进一步巩固和发展了湘赣革命根据地，成为湘赣革命根据地著名红军将领、湘赣红军元老。3月底任中共河西（湘赣）临时总前委委员，协助滕代远统一指挥红七军、红二十军和湘东南独立师，配合红一方面军取得第二次反“围剿”的胜利。8月，任湘赣红军独立第一师师长。9月底，率部抵永阳镇歼国民军一个团，俘1000余人。10月，选为中共湘赣省委候补委员。

1932年1月，任湘赣军区第一指挥部指挥兼独立第一师师长，率部艰苦转战，在数十次的激烈战斗中取得了辉煌战果。1932年2月1日，根据中央革命军事委员会的指示，中共湘赣省委召开了湘赣独立一、三师誓师大会，独立第一师与独立第三师合编成中国工农红军第八军，李天柱任第八军军长（为肖克上将为第八军军长的前任，代政治委员兼独立第一师政治委员王震上将）兼独立第一师师长，并被增补为中共湘赣省委委员。同时湘赣军区宣布成立，由张启龙为军区总指挥，李天柱为副总指挥，甘泗淇为政治委员，戈勇为参谋长(后叛变)，陈韶为政治部主任。不久任中共湘赣省委军委书记，并兼湘赣军区副总指挥、第八军军长、第一指挥部指挥。在反国民党军“围剿”中，率部参加攻打安福、永阳、酃县（今炎陵）、永新、茶陵、攸县等战斗，巩固和扩大了湘赣苏区。5月率部攻克茶陵县城。6月，蒋介石调动12个师的兵力，围攻湘赣苏区。为牵制国民党军，防止国民党军南下，减轻对红一方面军的压力，红八军与红三军团从两翼攻击国民党军力量薄弱的湘军。李天柱先率红八军攻击网岭国民党军，获胜后，续取攸县。同时，红三军团也占领了桂东和汝城，其先头红七军逼近酃县之水口，从两翼夹住国民党军，有力地保证了红一方面军在粤北南雄县地区击溃粤军20个团的战斗。8月，李天柱又率部运用游击战术，施一石二鸟之计，歼灭攸县东塘国民党军一个团并歼敌保安团400余人，俘200余人，缴获了大批枪弹。随后，李天柱利用有利地形，采取引国民党军入瓮的办法，率部在茶陵高城地区歼国民党军第三七八团，打了个漂亮的伏击战。9月在永新击退敌一个师对中共湘东南特委的进攻。接着，李天柱率部参加攻打分宜的战斗，负重伤离队休养治疗。不久，兼任中共湘赣省委妇委会书记。

1933年春，因对当时一些“左”倾错误军事指导思想提出不同意见而受到排挤，莫须有的罪名，被安排到瑞金红军大学学习，改任红军大学第四分校教育长。指挥地方部队积极开展游击活动，围困国民军进攻莲花县的六十三师，策应中央红军作战。同年秋调往中央革命根据地工作。王明“左”倾路线在苏区推行，他因坚持原则进行抵制，被调离部队，到红军大学“改造思想”，改任红七军团十九师五十五团团长，降职使用。他不计较职务高低，以一个共产党员的胸怀，在寻淮洲军团长的领导下，英勇顽强地作战，掩护中央红军主力转移。

1934年10月，中央红军主力长征后，留根据地坚持游击战争，任红军独立第二十四师七十二团团长。11月22日率部参加谢坊伏击战获胜。

1935年2月奉命率红24师4个连，进至寻(邬)南游击区，并向广东东江地区发展。4月初，转至安远、寻邬南部地区与罗屏汉部游击队会合，任粤赣边军政委员会委员，后率一个大队在当地游击。6月，李天柱率部突围，经一路拚杀，部队损失很大，仅二三十人到达江西寻邬县南部，最后因敌我部队实力悬殊在江西寻邬(今寻乌)突围战中牺牲，年仅36岁。