白元光是突厥人。他的父亲白道生，历任宁、朔州刺史。白元光最初在朔方军从军， 补任朔方节度先锋。

天宝十四载（755年），安史之乱爆发，朝廷命朔方军东征叛军，白元光率所部的结义营随朔方节度使李光弼出土门。累官太子詹事，封南阳郡王，又任两都（长安、洛阳）游弈使。

至德二载（757年），天下兵马元帅李俶（李豫）、副元帅郭子仪率军收复长安。唐军进入长安后，白元光先率兵清宫，将叛军的余党歼灭。在战斗中，他身被数创，唐肃宗李亨亲自为他上药。其后转任卫尉卿，兼朔方军先锋。

乾元二年（759年），叛军首领史思明进攻河阳（今河南孟县南），李光弼命白元光负责指挥骑军应战。后来，白元光历任灵武留后、定远城使等职。

广德元年（763年），唐代宗下诏将白元光等人的画像悬挂于凌烟阁上。