李学诗少年时代读书两髻山前桃花洞畔。明嘉靖四年（1525年）中举人，次年成进士，任直隶永平府推官，主管一府的司法。以“屡决疑狱而奸止刑稀”被评为治绩优异，调升吏部稽勋司主事。不久又升为吏部考功司员外郎。考评公允，准确而不苛刻，以年轻有为而闻名公卿间。

明嘉靖十二年（1533年），皇帝因翰林院缺乏人才，下诏让大臣们推荐为人方正、学深才高的一般京官进翰林院任职。李学诗得到许多大臣的荐举，和著名文人唐顺之等十二人一起被选为翰林院编修。明嘉靖十八年（1539年）升任詹事府的左春坊左中允，并兼翰林修撰，充经筵讲官。

李学诗当过嘉靖十七年的会试同考官，经他阅卷录取的新进士中有后来成为著名文学家的茅坤（茅鹿门）。嘉靖十九年，担任了顺天乡试主考官。次年，病逝于北京。

《平度州志》称李学诗“长于诗文”，有《桃花洞集》传世。