李延寔温和善良。年少时,担任太子舍人,辅佐太子元恪。宣武帝初年,承袭清渊县侯,累迁左将军、光州刺史。孝明帝时期,累迁平东将军、光禄大夫。建义元年四月癸卯(528年5月20日),作为孝庄帝元子攸母舅的身份,授侍中、太保,受封濮阳郡王。鉴于太保一职犯了祖父李宝的名讳,而且王爵不是非宗室之人所应获封,遂向孝庄帝坚决辞让,改封濮阳郡公,改授太傅,永安二年八月己未(529年9月28日),李延寔调任为司徒公,外任为使持节、侍中、太傅、录尚书事、东道大行台、青州都督。因为李延寔之前疾病缠身,孝庄帝下诏以李延寔的妻弟卢道约为青州(李延寔)长史,希望卢道约维护李延寔。建明二年(531年)十二月,尔朱兆进入洛阳,囚禁了孝庄帝。尔朱兆认为李延寔的儿子李彧,派人将他杀害于青州馆舍。孝武帝初年,李延寔归葬于洛阳,朝廷赠予使持节、侍中、太师、太尉公、录尚书事、都督、雍州刺史,谥为孝懿。