1927年四一二反革命政變後，蔣介石所進行的北伐已失去了革命的意義，成了新舊軍閥權力之爭。這年8月，北伐軍主力沿長江而下，打垮五省聯軍孫傳芳的部隊，南京轉危爲安。在龍潭與孫的嫡系部隊決戰中，李延年因作戰不力，受撤職留任處分。
1928年初，北伐軍受阻於臨淮關，因數攻不下，總部正欲命部隊轉移，但李延年堅不撤離，自告奮勇，包打守軍，即率全團發起猛攻。戰前，師長徐庭瑤曾電示李延年：如果戰鬥吃力，部隊宜早撤退。李延年回答說：“要我撤回廣州嗎?打仗可不能婆婆媽媽。”隨之與守軍奮戰多時，守軍不支，棄城而逃，臨淮關爲北伐軍佔領。此役因李延年攻城有功，被撤銷處分，官復原職，並記功一次。
同年4月底，北伐軍各路軍隊取齊，向濟南發起總攻。奉系山東督辦張宗昌棄城而逃，日本帝國主義藉口保護在濟日僑，又派重兵由青島登陸，乘機搶佔濟南普利門外商埠地區，構築工事，架設電網，斷絕交通，蓄意挑釁，企圖阻撓蔣軍北進。5月1日拂曉，北伐第一集團軍第四軍方振武部和四十軍賀耀祖部，首先進入濟南。後續蔣軍在向城內集結時，不斷遭到日軍的殺害和留難，特別是5月3日一天之內，日軍就殺害我軍民4000餘人，製造了震驚中外的五三慘案。5月7日，蔣介石召開祕密軍事會議，議決繼續“北伐”，並命李延年和鄧殷藩兩個團留守濟南西門南北兩段，狙擊和牽制日軍，以掩護北伐軍北進。李延年受命後，立誓決一死戰。戰爭打得十分殘酷，血戰48個小時，終於按蔣的部署完成了狙擊和牽制任務，使李宗仁部順利渡過黃河。對此，蔣大爲讚賞，曾當衆說道：李延年見危受命，臨難不懼，令人欽佩。
1929年，李延年被升任爲國民黨軍少將旅長，駐軍漢口;1930年在閻錫山、馮玉祥聯合反蔣時，李延年以一旅的兵力，抵擋住了馮部一個師的強攻，隨後被調升爲八十八師副師長，駐軍杭州。此後經徐州整編，奉命征討白崇禧、李宗仁，轉戰於河南民權一帶。
1931年李延年奉調徐州任第九師師長兼徐州警備司令。不久即奉命率師參加了對江西中共蘇區的三、四次“圍剿”。國民黨軍從鷹潭沿南城、南豐南下，在廣昌、寧都—線與紅軍展開運動戰。紅軍集中兵力以袋鼠戰術接連吃掉國民黨軍三個多師。最後黃陂一戰，國民黨軍死傷慘重，被迫撤離戰場。
1932年一二八事變後，原在上海抗擊日軍的國民黨第十九路軍，因對國民黨政府與日本 簽訂賣國的《淞滬停戰協定》不滿，與蔣介石分裂，向浙閩方向開拔。蔣介石即急調李延年、李玉堂兩師星夜疾馳閩北，沿建甌、古田公路追擊、堵截蔡廷鍇部。結果十九路軍團以上官員及其家屬從廈門乘船去香港，餘皆四散。李延年部駐漳州待命。
1933年夏、蔣介石提出“攘外必先安內”的口號，於是集中主力組建四路“剿共”總部。李延年任東路軍第四縱隊司令官兼九師師長，指揮四縱所屬第九、三十六、三十九、八十、八十三共5個師，爲東路軍主力，參加對中共蘇區的第五次“圍剿”。是年冬，四縱奉命從漳州西進，分兵兩路，在華安以西與工農紅軍拉開戰幕。龍巖州之戰，紅軍頑強苦戰，予來犯之敵以有力回擊，堅持到最後，因寡不敵衆，始作戰略撤退。國民黨軍佔領龍巖城後，李延年命三十六師防守，其他部隊在四圍清查和“掃蕩”。隨之又率部向古田鎮進逼。該鎮四面環山，不宜防守，紅軍再作戰略撤退。文房大戰，紅軍在山嶺陡坡處築有堅固地堡、掩體，陣前坡地裏設有路障，暗埋地雷，居高臨下，防守嚴密。國民黨軍三師師長李玉堂率3個團幾經衝殺，死傷慘重，所剩無幾，便向李延年告急。李延年即命第九師增援，用俄製直射山炮轟擊紅軍陣地。紅軍暫時放棄了文房和長汀，向瑞金作戰略轉移。
1934年12月，“四縱”建制撤銷，東路“剿總”改爲綏靖公署，李延年改任第三綏區司令兼九師師長，駐軍閩南泉州。
1937年7月7日，抗日戰爭爆發。時李延年已升任第二軍軍長，奉命參加上海的八一三抗戰。日寇仗其海陸空優勢，氣焰十分囂張。中國軍隊以拉鋸式戰術與敵激戰3個多月，達到預期目的，遂作戰略轉移。李部奉命到武漢略事整編，歸屬二二集團軍。
1938年5月，李部奉命日夜兼程，趕赴徐州第五戰區，增援臺兒莊會戰。李部的任務是截擊日軍由海州、魯南調來參戰的兩支援軍。此戰連克強敵，全殲日軍兩個號稱王牌的師團，名震中外。戰後，李延年所屬第二軍集體立功受獎，李延年升任第十一軍團長兼第二軍軍長。同年夏秋，李部又參加了保衛徐州、武漢等戰役，戰事皆不力。李延年因部署欠當，被撤軍團長職務，後經湖南衡陽整編，部隊取消了軍團制，李延年仍任第二軍軍長。
1939年李延年奉命移防四川秀山，一方面整補，一方面剿滅地方張少卿、陳國良等小股土匪。同年秋，李延年部奉調廣西南寧，與第五軍合編爲三十四集團軍，徐庭瑤任總司令，李延年任副總司令兼第二軍軍長，參加崑崙關抗日戰役，並打前鋒。戰鬥自始至終異常激烈，雙方死傷慘重，副軍長兼九師師長鄭作民壯烈陣亡。戰後的柳州追悼會上，蔣特對李部頒發嘉獎令，表揚該部雖主將陣亡，陣容不亂，集結迅速，且能繼續堅守陣地。
1940年李部進駐湖南省常德稍事整編，先後參加了湖北省宜昌江防守備戰和宜昌攻堅戰。此戰李部與日軍交戰四五個月之久，雙方互有傷亡損失，但直到日本投降，該地日軍終未能前進一步。
同年8月李軍在湖北建始縣整補月餘，擴編爲加強軍，李仍爲軍長。並配備了特務、通訊、搜索、戰防炮等兵種，增加了工兵、輜重、山炮、重炮等兵團，還配備了3個步兵師、5個步兵團的兵員。二軍軍力之大，爲抗戰三大加強軍之一。
同年12月，李軍開往四川璧山、永川一帶駐紮。1941年3月，李軍進軍瀘州，驅逐了地方武裝周成虎部。8月李延年脫離二軍，去西安升任第三十四集團軍副總司令，爲該集團軍總司令胡宗南所左右，被安置在陝東河防指揮部。1942年鎮守前沿的第一軍軍長李鐵軍無視李延年的領導，私自離開前沿，李延年上書蔣介石，要求按軍法處置李鐵軍。蔣便乘機飛往西北戰場調解人事關係，命胡宗南接任朱紹良的第一戰區司令官，李延年任第三十四集團軍司令官。李延年接任後，即對河防大軍另行整編。
1944年，日寇兵臨李延年所轄的潼關，企圖由關入蜀，先奪成都，後佔重慶。李延年識破日寇的陰謀，利用“一夫當關，萬夫莫開”的險要地形，採取以逸待勞的作戰方針。經多次激烈較量，雖傷亡慘重，但潼關仍堅如磐石。戰後，李延年受到蔣介石嘉獎。
1945年日寇投降前夕，在重慶的一次緊急軍事會議上，李延年被升任爲第十—戰區副司令長官兼山東挺進軍總司令。同年8月李延年爲山東地區受降長官，負責受理該區日本侵略軍的投降事宜。抗日戰爭勝利後，蔣介石破壞第二次國共合作，中國革命進入第三次國內革命戰爭時期、其間，李延年又參加了國共之戰。
1946年2月，戰區撤銷，李延年調徐州綏靖公署任副主任兼第九綏區司令。1947年徐州綏署改爲徐州“剿總”，李延年改任副總司令兼第二兵團司令。1948年劉峙總司令去職，李延年爲代總司令。淮海戰役前夕，代總一職由杜聿明接任，李仍爲副總司令兼第六兵團司令，駐軍蚌埠，負責預備隊任務。淮海戰役開始，李延年在蚌埠l小時內接到蔣3次電報：第一次前進，第二次後退，第三次整裝待命。結果在人民解放軍的強大攻勢下，國民黨軍一敗塗地。眼看大勢已去，蔣介石便以和談爲緩兵之計，趁機商定遷都臺灣，委親信湯恩伯以守江重任，命李延年爲京滬杭警備司令。1949年4月21日一聲令下，人民解放軍強渡長江，勢如破竹，國民黨軍全線崩潰，李延年率其殘兵敗將向福建省逃竄，途中接到臺北軍事當局電報：命李延年爲泉州、福州兩綏區司令，指揮所有福建境內的國民黨軍，死守平潭島。同年8月末解放軍解放福州，進軍平潭。李延年指揮失靈，便把兵權交給參謀長任同堂，慌忙帶領綏靖公署主任朱紹良、副司令樑棟新等人飛往臺灣。
任同堂未及平潭島，就在福清縣率部投降。李延年抵臺後，蔣介石以無令撤退問罪，判處其有期徒刑10年。經國民黨元老蔣鼎文、劉峙及山東老鄉劉安琪等作保，念其有病，服刑1年出獄。後鬱郁成疾，於1974年11月17日病逝，終年70歲。
