2001年,与黄晓明,陈道明合作,出演历史古装剧《大汉天子》中的司马迁一角。2004年,继续出演古装剧《大汉天子2》。2008年,与陈丽丽,刘冠麟共同主演了武侠轻喜剧《龙虎山客栈》,在剧中饰演有勇有谋且不失幽默的儒商朱贵一角,并因此剧受到关注；12月1日,其参演的古装剧《豪门金枝》在上海东方影视频道首播。。2010年,李泰延相继出演了古装神话连续剧《天地姻缘七仙女》和古装剧《新水浒传》。2011年1月1日,其参演的古装剧《新水浒传》在浙江钱江频道首播,李泰延在剧中饰演旱地忽律朱贵,并因此获得了更高的关注度与人气。2012年11月2日,签约北京大唐辉煌传媒股份有限公司,成为旗下艺人；同年,与刘牧,林伊婷合作,参演近代传奇剧《汉口码头》,并在剧中饰演黑帮家族刘家老二刘祥云；3月29日,受邀出席中国国际时装周秀。2013年,与丁海峰,陶慧合作,参演由杨世光执导的抗战剧《烽火平型关》,在剧中饰演日本军官姿三武郎。2014年,主演年代悬疑电影《国宝疑云》,在片中饰演胸怀大义的有志青年“龙科”一角；6月25日,其参演的抗日戏《战火连天》在北京影视频道剧场首播,李泰延在剧中饰演潇洒帅气的军官骆平。2015年3月,参加芒果TV自制儿童周播剧《学童进击之新生来袭》的录制,与高蓓蓓组成夫妻搭档,并与刘晓虎,李媛分饰两对风格独特的夫妻。2016年,与李欣聪,徐文浩共同主演了根据泽尔库同名小说改编的都市爱情喜剧《替我老爸去泡妞》。2016年,在历史传奇剧《思美人》中饰演孟尝君；12月,与獒犬,赵奕欢合作出演了网络剧《很纯很暧昧》,饰演反一号班杰明；同年,出演悬疑犯罪网络剧《魔眼》,饰演嘉藤；12月30日,在校园青春网络剧《电竞学园》中饰演德高望重的校长。2017年3月,与孙松,闫学晶合作出演了抗日谍战剧《我的老爸是卧底》,在剧中饰演鲁莽的八路军特务连连长王火。2018年,参与拍摄励志喜剧电影《跳舞吧！大象》。2019年2月27日,参演电视剧《倚天屠龙记》,饰演冷谦。2020年7月1日,参演电视剧《锦绣南歌》,饰演谢灏。2021年,参演电影《刺杀小说家》。2022年4月27日,参演的电视剧《风起陇西》播出,饰演金队长；8月1日,参演电视剧《第二次拥抱》播出。2023年1月30日,出演的电视剧《君子盟》开播。2月6日,出演电视剧《女士的品格》,饰演程工；6月20日,参演电视剧《南洋女儿情》播出。写真集写真李泰延写真李泰延出席时装周
2012年4月7日,李泰延与雷悦出席新婚公益大讲堂启动仪式,并担任新婚公益形像大使。