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》和历史题材剧《新水浒传》 。2011年1月1日，其参演的电视剧《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 。