毛泽东最初是通过阅读《新青年》知道李大钊的。1913年至1918年，毛泽东在湖南第一师范读书期间，就是《新青年》的热心读者，对李大钊、陈独秀等人的文章经常反复阅读，并将文章中的精辟段落摘抄下来。李大钊发表在《新青年》的《青春》、《今》等启蒙作品，是毛泽东和他的朋友们十分喜爱的重点文章。
1918年8月，毛泽东陪同去法国勤工俭学的湖南学生从长沙来到北京，当时他在北京的唯一熟人是在国立北京大学任教的杨昌济。身无分文的毛泽东觉得在北京开销太大，非马上就找工作不可。于是，杨昌济把毛泽东介绍给北大图书馆主任李大钊。毛泽东有了一份图书馆助理员的工作，每天在北大红楼第二阅览室登记与管理新到的报刊，月薪8块大洋。毛泽东充分利用这里的学习环境，工作之余，广泛阅读各种书籍报刊，研究各种学说。更为难得的是，他能和李大钊朝夕相处，从李大钊那里借来许多马克思主义书籍阅读，并利用工作之便经常向李大钊请教。毛泽东正是在这时开始接受马克思主义的。他后来回忆说：“我在李大钊手下，在国立北京大学当图书馆助理员的时候，就迅速地朝着马克思主义的方向发展。”
毛泽东的抱负和才干得到李大钊的赞赏，他认为毛泽东是湖南学生青年的杰出领袖，亲自介绍他加入少年中国学会、新闻学研究会和北大哲学研究会。在北大期间，毛泽东多次聆听李大钊的讲演，阅读李大钊的文章，这对他的思想变化具有重要影响。他回忆说：“我对政治的兴趣越来越大，思想也越来越激进。”当时的新民学会会员李维汉回忆说：“‘五四’前夕，毛泽东、蔡和森在李大钊的影响下，开始学习和研究十月革命和马克思主义书刊”。由此可见，李大钊是毛泽东接触马克思主义的引路人。
五四运动爆发后，毛泽东于1919年7月主编出版了《湘江评论》，受到李大钊的热切关注。当时李大钊等主办的《新青年》和《每周评论》曾向广大读者介绍过这份刊物。《湘江评论》第2至第4期发表了毛泽东撰写的《民众的大联合》一文，在进步青年中引起强烈反响。李大钊于同年12月在《新青年》第19期发表《大联合》的短论，采用了毛泽东民众大联合的主张。
1919年12月底，为了组织驱张运动，毛泽东再次来到北京，特地拜访了他的老师李大钊，向他汇报了湖南青年运动的情况。李大钊为进一步引导青年毛泽东走上马克思主义道路，特意向他推荐了一批有关共产主义和俄国十月革命的中文书籍，其中有马克思、恩格斯的《共产党宣言》节译本和柯卡普写的《社会主义史》等。这些书对毛泽东世界观的转变产生了极为深刻的影响，促使他树立起了马克思主义的信仰。
1920年4月，毛泽东、易礼容在长沙组织文化书社，专门推销新式书报。李大钊得知后，又给予热情支持，主动承担该社在京的信用介绍。文化书社在毛泽东的指导下，对与李大钊有关的刊物如《新青年》、《每周评论》、《少年中国》，特别是李大钊著的《五月一日》单行本，给以着重介绍，广泛传播。
建党以后，毛泽东与李大钊在许多重大问题上意见一致或接近。如国共合作和重视农民问题，他们的想法很接近。1926年毛泽东任广州第六届农民运动讲习所所长时，就亲自将李大钊的《土地与农民》一文编入他主编的《农民问题丛书》中。李大钊对毛泽东的才干非常赏识，曾对将去广州农民运动讲习所学习的李波涛说：“毛泽东同志学识渊博，很有独特见解，你去以后自然会体会到的。”
李大钊的壮烈牺牲，毛泽东为之悲痛，并对他怀有深深的敬意。延安时期，毛泽东在同斯诺谈话时谈到他；1945年在中共七大上，毛泽东又谈到他。“五四运动中，李大钊和陈独秀是代表左翼的，我们是他们那一代人的学生。”1949年进北平时，毛泽东又再次谈到他。作为伟大的马克思主义者、党的创始人之一的李大钊，受到毛泽东的无限敬仰和怀念。