1957年12月，开国上将李天佑被任命为广州军区第一副司令员、代司令员，主持军区全面工作。
李天佑上任后，军区的许多同志称他为“李司令员”，李天佑对此很不高兴，他在某次开会时郑重地说：“这样的称呼不恰当，不符合中央任命的我的职务。请同志们注意！中央军委只任命我为副司令员、代司令员，今后大家最好叫我李天佑同志，或李副司令员。”从此以后，再也没人称李天佑为“李司令员”了。
李天佑刚上任不久，一份紧急战情通报被送到了他的桌案上：“某国当局派军队侵占我国的金银岛！”
金银岛是我国神圣领土西沙群岛的组成部分，李天佑看完战情通报后大怒：“简直是岂有此理！金银岛自古以来就是中国的领土，岂能让人随意侵占？”
随后李天佑立即召开军区党委会，研究金银岛事件，多数党委成员对此表示十分气愤，但也有人担心：“那一带海域气候条件不好，又无渔民定居，而且解放后政府也从未派兵驻守，是不是等等再说？”
李天佑却说：“事关祖国领土完整，消极等待怎么行？我看，必须马上派部队协同武装民兵，迅速开赴岛上驻守！”
会议结束后，李天佑以军区党委的名义向中央报告：以民兵的名义迅速开赴各岛屿驻守。毛泽东收到报告后，当即作出批示：“南海千里海防的安全必须确保和加强，决不能让任何人侵占！”
不久以后，广州军区派武装民兵立即开赴西沙群岛各岛屿，从此以后，西沙群岛的上空开始飘扬起五星红旗。
1962年9月，李天佑调任解放军副总参谋长，此后的8年里，他一直担任这一职务，分管过军务、作战、情报等工作。这8年可以说是党内、军内的多事之秋，李天佑在总参经历了罗瑞卿、杨成武、黄永胜3任总长。
1966年“运动”爆发后，李天佑临危受命，负责总参的日常工作，周恩来和几位老帅多次叮嘱他说：“总参要坚持党的领导，不准成立群众组织；要保持稳定，不能乱！”
李天佑坚决贯彻了周恩来和老帅们的指示，他在各种会议上多次强调：“凡要批判各级领导干部，必须经过党委批准；凡没有分清矛盾性质的问题，先按内部矛盾处理，查清是什么性质的问题，就按什么性质处理。”
1966年10月，李天佑听说总参二部有位副部长被扣留，还要被揪到南京某学院批斗，他马上赶到火车站劝“造反派”放人，他说：“你们随便扣人是十分错误的！必须保证人身安全；快去快回；只能解答问题，不准批斗。”
“造反派”同意以后，李天佑仍不放心，他又给南京军区司令员许世友打电话，请许世友协助做好保护工作。
在那段日子里，李天佑每天都要工作12个小时以上，他本来就患有肾病，繁重的工作任务、复杂多变的情况、巨大的精神压力，使他的病情越来越严重，但他仍然坚持工作，在无法坐着开会、办公时，他就躺在办公室的活动床上处理工作。李天佑还写了一首诗，表达自己当时悲愤郁闷的心境：
革命征战四十年，从未自己解疆鞍。
霹雳乌云遮华夏，难以理解难扭转。
桩桩信息报惊险，愈感艰难志愈坚。
虽思病情日渐重，决以文诗慰自勉。
1970年9月7日，李天佑因病情恶化，住进了解放军总医院。住院时的李天佑多次对医护人员说：“我不行了，不要再用贵重的药，浪费国家资财。”9月27日，李天佑不幸病逝，年仅56岁。
周恩来得知李天佑去世的噩耗后，悲痛地说：“什么？他才56岁呀！前些日子，我给他通电话，声音还很有力，病情发展得这么快……天佑同志是个将才呀，可惜英年早逝！我要参加追悼会，致悼词！”
李天佑去世后不久，林彪在毛家湾的家中接见了李天佑的家人。李天佑的儿子李亚宁后来回忆：“在那个特殊的年月，能受到林彪在家里的专门接见，应该是我们全家很荣幸的事情。”
后来叶群还专门对李亚宁说：“在东北时，天佑同志曾经救过林总一命。”原来李天佑在松江军区工作的时候，有一次陪同林彪出去看地形，当天晚上路过一个村庄就宿营了。李天佑因为了解到村后有一条河，担心万一有土匪偷袭，背水作战会很危险。这天晚上李天佑没有睡好，天不亮就叫醒林彪上路。结果林彪和李天佑刚过河，土匪就追过来了，当地的县大队在河对岸和土匪交上了火，掩护他们甩掉了土匪。
林彪外逃身亡后，曾有人“宽慰”李亚宁说：“如果你爸爸不死，也是要受牵连的。”