1904年(清光绪三十年)5月,李四光官费赴日本留学,入东京宏文学院普通科学习;同年12月,李四光结识了当时在东京法政大学学习的近代民主革命家宋教仁,经宋教仁介绍又认识在东京京西大学学习工艺化学的马君武。此时,他接受了更多的民主革命思想,开始走上了革命的道路。并毅然将盘在头上的长辫子剪掉,表明自己站在革命的一边。1905年(清光绪三十一年)初,李四光学习任务虽很重,但他仍经常出入留学生会馆,赴集会,听演讲,决定追随孙中山先生。他还积极投身革命政党的组建活动,7月30日,他参加了在东京赤坂区松町三番黑龙会会所召开的中国同盟会筹备会。会后由孙中山主盟,宣誓加入同盟会。其中,李四光的自书誓词为:联盟人湖北省黄州府黄冈县李四光,当天发誓:驱除鞑虏,恢复中华,创立民国,平均地权。矢信矢忠,有始有卒。如或渝此,任众处罚。天运乙巳年七月三十日中国同盟会会员李四光。李四光是同盟会第一批会员中年龄最小者,8月20日,在日本东京赤坂区松町内田良平先生的宅邸,李四光参加了中国同盟会成立大会。1907年(清光绪三十三年),入大阪高等工业学校船用机关科,学习造船机械,宣统二年(1910年)毕业。因其在日本受了带有汉民族主义的反满革命思想的影响,成为孙中山领导的同盟会中年龄最小的会员,以“驱逐鞑虏、恢复中华”为己任。并获孙中山赞誉,送其八个字:“努力向学,蔚为国用。”