Mạc Đăng Dung thay ngôi nhà Lê, lập ra nhà Mạc. Lê Quang Bí theo giúp nhà Mạc. Được 6 năm (1533), cựu thần nhà Lê là Nguyễn Kim khởi binh khôi phục nhà Lê. Cả nhà Lê và nhà Mạc đều tranh thủ sự ủng hộ, thừa nhận của nhà Minh nên ngoài mặt trận chiến tranh trong nước, mặt trận ngoại giao với nhà Minh kéo dài dai dẳng nhiều năm về vấn đề này.

Thời Mạc Tuyên Tông, năm Mậu Thân, niên hiệu Cảnh Lịch thứ nhất (1548), Mạc Tuyên Tông cử Lê Tiến Quy làm Chánh sứ và Lê Quang Bí làm phó sứ, sang sứ nhà Minh cầu phong.

Khi đoàn sứ Đại Việt đến Nam Ninh, triều Minh ngờ là quan giả mạo, bắt phải chờ để tra xét minh bạch đã, mới cho dâng lễ phẩm. Sau đó phía nhà Minh gửi văn thư đi tra xét, nhưng chẳng có hồi âm. Chỉ có Lê Tiến Quy được về còn Lê Quang Bí cứ phải lưu tại sứ quán chờ mệnh lệnh Mạc Tuyên Tông.

Lúc đó trong nước nhiều việc rối ren, quân Lê Trịnh đánh ra bắc, chiến sự vô cùng ác liệt khiến nhà Mạc bỏ khiếm khuyết việc cống Bắc triều mấy năm liền, nên cũng không dám tâu xin.

Năm 1561, Mạc Tuyên Tông mất, con là Mậu Hợp nối ngôi.

Năm 1563, quan quân Lưỡng Quảng nhà Minh mới sai người đưa Lê Quang Bí tới Bắc Kinh triều kiến vua Minh. Nhân dịp vua mới là Mạc Mậu Hợp cũng sai hầu mệnh gửi cho ông 25 lạng bạc để thưởng lạo. Khi Lê Quang Bí tới Bắc Kinh, lại bị lưu ở sứ quán thêm vài năm nữa.

Năm 1566, viên Đại học sĩ triều Minh là Lý Xuân Phương thương Quang Bí ở trong nước nhà Minh đã 18 năm, bị giữ lâu ở công quán mà vẫn giữ được mệnh chúa, nên tâu lên vua Minh nhận cống phẩm và cho ông về. Vua mới nhà Minh là Mục Tông bằng lòng theo lời của Xuân Phương, cho ông trở về nước. Người Minh ví ông như Tô Vũ đi sứ đến lúc bạc đầu mới được trở về.[1]

Trong suốt 18 năm đi sứ bị giam giữ, Lê Quang Bí vẫn luôn giữ gìn phẩm hạnh và kỷ cương phép nước, không làm ô danh nước Đại Việt.

Ngày 25 tháng 1 năm Bính Dần, niên hiệu Sùng Khang thứ nhất đời Mạc Mậu Hợp (1566), ông trở về nước. Mạc Mậu Hợp di cư ra hành quán ở Bồ Đề (Gia Lâm), sai Lại Bộ thượng thư kiêm Đông Các đại học sĩ Kế Khê bá Giáp Hải và Đông các hiệu thư Phạm Duy Quyết lên tận đầu địa giới Lạng Sơn để đón sứ thần Lê Quang Bí. Lúc được cử đi sứ, Lê Quang Bí mới 43 tuổi, tóc còn xanh mà lúc trở về nước, ông đã 61 tuổi, đầu tóc đã bạc trắng.

Về đến tổ quốc, Lê Quang Bí được Mạc Hậu Hợp phong cho chức thượng thư, lại phong cho tước Tô quận công, ví ông với vị trung thần Tô Vũ nhà Hán.