長孫無忌少年時即與唐太宗李世民交好，后又結為郎舅之親。他在晉陽起兵后投奔李淵，成為李世民的心腹謀臣，追隨其東征西討，累遷比部郎中，是天策府的重要成員。

武德九年（626年），面對太子李建成和齊王李元吉的步步緊逼，長孫無忌協助李世民策劃、組織了玄武門之變。在這場兵變中，李世民成功除掉了李建成和李元吉，從而順利登基稱帝。李世民即位后，長孫無忌因為功勞巨大，所以被晉升為尚書右仆射，成為宰相。

但是，長孫無忌不是驕傲自滿之輩，因身為外戚，深以盈滿為戒，遂力辭宰相之職，此后長期不擔任具體職務，只保留司空、司徒、太子太師等榮譽虛職。當然，唐太宗還是非常敬重長孫無忌的，所以在凌煙閣二十四功臣中，長孫無忌位列第一，而且他還獲得了趙國公的爵位。

貞觀十七年（643年）四月，唐太宗命長孫無忌與房玄齡、蕭瑀、李勣，會合大理寺、中書省、門下省，一同審訊太子李承乾謀反案。不久之后，李世民改立晉王李治為皇太子，任命長孫無忌為太子太師。在這場繼承人的爭奪中，長孫無忌站到了李治這一邊。不過，等到李治即位后，長孫無忌卻落下了凄慘的結局。

貞觀二十三年（649年），李世民病逝于行宮翠微宮，遺命長孫無忌與褚遂良輔政。同年六月，在長孫無忌的輔佐下，李治成為唐朝第三位皇帝，史稱“唐高宗”。長孫無忌進拜太尉、同中書門下三品，仍兼任揚州都督，主持朝政。一開始的時候，李治是十分信任長孫無忌這位舅舅的。曾有洛陽百姓李弘泰誣告長孫無忌謀反，李治立即下令將其處斬。

永徽五年（654年），李治欲廢黜王皇后，立武昭儀（武則天）為皇后。在古代歷史上，廢立皇后是一件大事，往往皇帝也不能一意孤行。于是，李治便與武則天到長孫無忌家中飲宴，不僅便與武則天到長孫無忌家中飲宴，還任命長孫無忌的三個庶子為朝散大夫。不過，面對李治和武則天的示好，長孫無忌卻假裝不明白李治的意思，顧左右而言他。

到了這個時候，長孫無忌不僅得罪了武則天，也引起了李治的不滿。永徽六年（655年），李治決定廢后，召長孫無忌、李勣、于志寧、褚遂良入內殿商議。當時，長孫無忌雖未明言反對，卻在一定程度上支持褚遂良，后者是堅決反對李治廢后的。但是，李治最終還是將王皇后廢為庶人，改立武則天為皇后。

眾所周知，武則天是非常強勢的，在她坐穩皇后的寶座后，自然不會放過長孫無忌等反對者。

顯慶四年（659年），中書令許敬宗指使人向李治呈奏密章，稱監察御史李巢勾結長孫無忌，圖謀造反。在此之前，許敬宗支持武則天成為皇后，堪稱她的心腹了。李治現在已經對長孫無忌失去了信任，就命許敬宗與侍中辛茂將一同審查。

盡管李治不相信長孫無忌真的造反，但是，在許敬宗的勸說下，或者說是武則天的影響下，李治還是下詔削去這位舅舅的官職和封邑，流徙于黔州，并讓沿途州府發兵護送。長孫無忌的兒子都被罷官除名，流放嶺南。

同年七月，李治又讓李勣、許敬宗復審長孫無忌謀反案。許敬宗命中書舍人袁公瑜到黔州逼令長孫無忌自縊。長孫無忌自盡后后，家產被抄沒，近支親屬都被流放嶺南為奴婢。在凌煙閣二十四功臣中，長孫無忌的結局算是比較凄慘的，也即不僅自己不得善終，連帶著家族也告別了唐朝的大舞臺。