李济深曾在梧州市中学堂（现梧州市第一中学）读书，是胡汉民的学生。后转学广东黄埔两广将弁学堂（与广东陆军中学堂合併，后更名为广东陆军速成学校），与邓铿为同学。之后入读保定陆军军官学堂（保定陆军军官学校前身）。1912年辛亥革命后，任广东北伐军第二十二师参谋长。北京陆军大学毕业，后留校任教。1920年应邓铿之邀，任陈炯明建国粤军第一师参谋长。邓铿被杀后，梁鸿楷继任。不久，李任粤军第一师代理师长。1922年冬参与策动粤军反戈驱逐陈炯明。1923年任梧州西江善后处长，曾动员李宗仁、黄绍竑加入国民党；有「半个桂系」