2001年,與黃曉明,陳道明合作,出演歷史古裝劇《大漢天子》中的司馬遷一角。2004年,繼續(xù)出演古裝劇《大漢天子2》。2008年,與陳麗麗,劉冠麟共同主演了武俠輕喜劇《龍虎山客?！?在劇中飾演有勇有謀且不失幽默的儒商朱貴一角,并因此劇受到關(guān)注；12月1日,其參演的古裝劇《豪門金枝》在上海東方影視頻道首播。。2010年,李泰延相繼出演了古裝神話連續(xù)劇《天地姻緣七仙女》和古裝劇《新水滸傳》。2011年1月1日,其參演的古裝劇《新水滸傳》在浙江錢江頻道首播,李泰延在劇中飾演旱地忽律朱貴,并因此獲得了更高的關(guān)注度與人氣。2012年11月2日,簽約北京大唐輝煌傳媒股份有限公司,成為旗下藝人；同年,與劉牧,林伊婷合作,參演近代傳奇劇《漢口碼頭》,并在劇中飾演黑幫家族劉家老二劉祥云；3月29日,受邀出席中國國際時(shí)裝周秀。2013年,與丁海峰,陶慧合作,參演由楊世光執(zhí)導(dǎo)的抗戰(zhàn)劇《烽火平型關(guān)》,在劇中飾演日本軍官姿三武郎。2014年,主演年代懸疑電影《國寶疑云》,在片中飾演胸懷大義的有志青年“龍科”一角；6月25日,其參演的抗日戲《戰(zhàn)火連天》在北京影視頻道劇場(chǎng)首播,李泰延在劇中飾演瀟灑帥氣的軍官駱平。2015年3月,參加芒果TV自制兒童周播劇《學(xué)童進(jìn)擊之新生來襲》的錄制,與高蓓蓓組成夫妻搭檔,并與劉曉虎,李媛分飾兩對(duì)風(fēng)格獨(dú)特的夫妻。2016年,與李欣聰,徐文浩共同主演了根據(jù)澤爾庫同名小說改編的都市愛情喜劇《替我老爸去泡妞》。2016年,在歷史傳奇劇《思美人》中飾演孟嘗君；12月,與獒犬,趙奕歡合作出演了網(wǎng)絡(luò)劇《很純很曖昧》,飾演反一號(hào)班杰明；同年,出演懸疑犯罪網(wǎng)絡(luò)劇《魔眼》,飾演嘉藤；12月30日,在校園青春網(wǎng)絡(luò)劇《電競(jìng)學(xué)園》中飾演德高望重的校長。2017年3月,與孫松,閆學(xué)晶合作出演了抗日諜戰(zhàn)劇《我的老爸是臥底》,在劇中飾演魯莽的八路軍特務(wù)連連長王火。2018年,參與拍攝勵(lì)志喜劇電影《跳舞吧！大象》。2019年2月27日,參演電視劇《倚天屠龍記》,飾演冷謙。2020年7月1日,參演電視劇《錦繡南歌》,飾演謝灝。2021年,參演電影《刺殺小說家》。2022年4月27日,參演的電視劇《風(fēng)起隴西》播出,飾演金隊(duì)長；8月1日,參演電視劇《第二次擁抱》播出。2023年1月30日,出演的電視劇《君子盟》開播。2月6日,出演電視劇《女士的品格》,飾演程工；6月20日,參演電視劇《南洋女兒情》播出。寫真集寫真李泰延寫真李泰延出席時(shí)裝周

2012年4月7日,李泰延與雷悅出席新婚公益大講堂啟動(dòng)儀式,并擔(dān)任新婚公益形像大使。