1927年四一二反革命政变后，蒋介石所进行的北伐已失去了革命的意义，成了新旧军阀权力之争。这年8月，北伐军主力沿长江而下，打垮五省联军孙传芳的部队，南京转危为安。在龙潭与孙的嫡系部队决战中，李延年因作战不力，受撤职留任处分。
1928年初，北伐军受阻于临淮关，因数攻不下，总部正衣命部队转移，但李延年坚不撤离，自告奋勇，包打守军，即率全团发起猛攻。战前，师长徐庭瑶曾电示李延年：如果战斗吃力，部队宜早撤退。李延年回答说：“要我撤回广州吗?打仗可不能婆婆妈妈。”随之与守军奋战多时，守军不支，弃城而逃，临淮关为北伐军占领。此役因李延年攻城有功，被撤销处分，官复原职，并记功一次。
同年4月底，北伐军各路军队取齐，向济南发起总攻。奉系山东督办张宗昌弃城而逃，日本帝国主义借口保护在济日侨，又派重兵由青岛登陆，乘机抢占济南普利门外商埠地区，构筑工事，架设电网，断绝交通，蓄意挑衅，企图阻挠蒋军北进。5月1日拂晓，北伐第一集团军第四军方振武部和四十军贺耀祖部，首先进入济南。后续蒋军在向城内集结时，不断遭到日军的杀害和留难，特别是5月3日一天之内，日军就杀害我军民4000余人，制造了震惊中外的五三惨案。5月7日，蒋介石召开秘密军事会议，议决继续“北伐”，并命李延年和邓殷藩两个团留守济南西门南北两段，狙击和牵制日军，以掩护北伐军北进。李延年受命后，立誓决一死战。战争打得十分残酷，血战48个小时，终于按蒋的部署完成了狙击和牵制任务，使李宗仁部顺利渡过黄河。对此，蒋大为赞赏，曾当众说道：李延年见危受命，临难不惧，令人钦佩。
1929年，李延年被升任为国民党军少将旅长，驻军汉口;1930年在阎锡山、冯玉祥联合反蒋时，李延年以一旅的兵力，抵挡住了冯部一个师的强攻，随后被调升为八十八师副师长，驻军杭州。此后经徐州整编，奉命征讨白崇禧、李宗仁，转战于河南民权一带。
1931年李延年奉调徐州任第九师师长兼徐州警备司令。不久即奉命率师参加了对江西中共苏区的三、四次“围剿”。国民党军从鹰潭沿南城、南丰南下，在广昌、宁都—线与红军展开运动战。红军集中兵力以袋鼠战术接连吃掉国民党军三个多师。最后黄陂一战，国民党军死伤惨重，被迫撤离战场。
1932年一二八事变后，原在上海抗击日军的国民党第十九路军，因对国民党政府与日本 签订卖国的《淞沪停战协定》不满，与蒋介石分裂，向浙闽方向开拔。蒋介石即急调李延年、李玉堂两师星夜疾驰闽北，沿建瓯、古田公路追击、堵截蔡廷锴部。结果十九路军团以上官员及其家属从厦门乘船去香港，余皆四散。李延年部驻漳州待命。
1933年夏、蒋介石提出“攘外必先安内”的口号，于是集中主力组建四路“剿共”总部。李延年任东路军第四纵队司令官兼九师师长，指挥四纵所属第九、三十六、三十九、八十、八十三共5个师，为东路军主力，参加对中共苏区的第五次“围剿”。是年冬，四纵奉命从漳州西进，分兵两路，在华安以西与工农红军拉开战幕。龙岩州之战，红军顽强苦战，予来犯之敌以有力回击，坚持到最后，因寡不敌众，始作战略撤退。国民党军占领龙岩城后，李延年命三十六师防守，其他部队在四围清查和“扫荡”。随之又率部向古田镇进B。该镇四面环山，不宜防守，红军再作战略撤退。文房大战，红军在山岭陡坡处筑有坚固地堡、掩体，阵前坡地里设有路障，暗埋地雷，居高临下，防守严密。国民党军三师师长李玉堂率3个团几经冲杀，死伤惨重，所剩无几，便向李延年告急。李延年即命第九师增援，用俄制直色山炮轰击红军阵地。红军暂时放弃了文房和长汀，向瑞金作战略转移。
1934年12月，“四纵”建制撤销，东路“剿总”改为绥靖公署，李延年改任第三绥区司令兼九师师长，驻军闽南泉州。
1937年7月7日，抗日战争爆发。时李延年已升任第二军军长，奉命参加上海的八一三抗战。日寇仗其海陆空优势，气焰十分嚣张。中国军队以拉锯式战术与敌机战3个多月，达到预期目的，遂作战略转移。李部奉命到武汉略事整编，归属二二集团军。
1938年5月，李部奉命日夜兼程，赶赴徐州第五战区，增援台儿庄会战。李部的任务是截击日军由海州、鲁南调来参战的两支援军。此战连克强敌，全歼日军两个号称王牌的师团，名震中外。战后，李延年所属第二军集体立功受奖，李延年升任第十一军团长兼第二军军长。同年夏秋，李部又参加了保卫徐州、武汉等战役，战事皆不力。李延年因部署欠当，被撤军团长职务，后经湖南衡阳整编，部队取消了军团制，李延年仍任第二军军长。
1939年李延年奉命移防四川秀山，一方面整补，一方面剿灭地方张少卿、陈国良等小股土匪。同年秋，李延年部奉调广西南宁，与第五军合编为三十四集团军，徐庭瑶任总司令，李延年任副总司令兼第二军军长，参加昆仑关抗日战役，并打前锋。战斗自始至终异常机烈，双方死伤惨重，副军长兼九师师长郑作民壮烈阵亡。战后的柳州追悼会上，蒋特对李部颁发嘉奖令，表扬该部虽主将阵亡，阵容不乱，集结迅速，且能继续坚守阵地。
1940年李部进驻湖南省常德稍事整编，先后参加了湖北省宜昌江防守备战和宜昌攻坚战。此战李部与日军交战四五个月之久，双方互有伤亡损失，但直到日本投降，该地日军终未能前进一步。
同年8月李军在湖北建始县整补月余，扩编为加强军，李仍为军长。并配备了特务、通讯、搜索、战防炮等兵种，增加了工兵、辎重、山炮、重炮等兵团，还配备了3个步兵师、5个步兵团的兵员。二军军力之大，为抗战三大加强军之一。
同年12月，李军开往四川璧山、永川一带驻扎。1941年3月，李军进军泸州，驱逐了地方武装周成虎部。8月李延年TUO离二军，去西安升任第三十四集团军副总司令，为该集团军总司令胡宗南所左右，被安置在陕东河防指挥部。1942年镇守前沿的第一军军长李铁军无视李延年的领导，私自离开前沿，李延年上书蒋介石，要求按军法处置李铁军。蒋便乘机飞往西北战场调解人事关系，命胡宗南接任朱绍良的第一战区司令官，李延年任第三十四集团军司令官。李延年接任后，即对河防大军另行整编。
1944年，日寇兵临李延年所辖的潼关，企图由关入蜀，先夺成都，后占重庆。李延年识破日寇的音谋，利用“一夫当关，万夫莫开”的险要地形，采取以逸待劳的作战方针。经多次机烈较量，虽伤亡惨重，但潼关仍坚如磐石。战后，李延年受到蒋介石嘉奖。
1945年日寇投降前夕，在重庆的一次紧急军事会议上，李延年被升任为第十—战区副司令长官兼山东挺进军总司令。同年8月李延年为山东地区受降长官，负责受理该区日本侵略军的投降事宜。抗日战争胜利后，蒋介石破坏第二次国共合作，中国革命进入第三次国内革命战争时期、其间，李延年又参加了国共之战。
1946年2月，战区撤销，李延年调徐州绥靖公署任副主任兼第九绥区司令。1947年徐州绥署改为徐州“剿总”，李延年改任副总司令兼第二兵团司令。1948年刘峙总司令去职，李延年为代总司令。淮海战役前夕，代总一职由杜聿明接任，李仍为副总司令兼第六兵团司令，驻军蚌埠，负责预备队任务。淮海战役开始，李延年在蚌埠l小时内接到蒋3次电报：第一次前进，第二次后退，第三次整装待命。结果在人民解放军的强大攻势下，国民党军一败涂地。眼看大势已去，蒋介石便以和谈为缓兵之计，趁机商定迁都台湾，委亲信汤恩伯以守江重任，命李延年为京沪杭警备司令。1949年4月21日一声令下，人民解放军强渡长江，势如破竹，国民党军全线崩溃，李延年率其残兵败将向福建省逃窜，途中接到台北军事当局电报：命李延年为泉州、福州两绥区司令，指挥所有福建境内的国民党军，死守平潭岛。同年8月末解放军解放福州，进军平潭。李延年指挥失灵，便把兵权交给参谋长任同堂，慌忙带领绥靖公署主任朱绍良、副司令梁栋新等人飞往台湾。
任同堂未及平潭岛，就在福清县率部投降。李延年抵台后，蒋介石以无令撤退问罪，判处其有期徒刑10年。经国民党元老蒋鼎文、刘峙及山东老乡刘安琪等作保，念其有病，服刑1年出狱。后郁郁成疾，于1974年11月17日病逝，终年70岁。
