李延孙雄健威武，有将帅的才能和谋略。年少，随从父亲李长寿征讨，以勇敢著称。李延孙初为直阁将军。贺拔胜任荆州刺史时，上表请求任命李延孙为都督，四处征讨，立有大功。后来，得知李长寿被害，李延孙返回，收集父亲的部众。

孝武帝进入关中之后，朝廷的宗室和官员流亡。广陵王元欣、录尚书事长孙稚、颍川王元斌之、安昌王元子均及建宁、江夏、陇东诸王以及百官等都携带妻儿投奔李延孙。李延孙率部众护送，并赠给珍玩，将他们全部送达关中。

高欢对李延孙很忌讳，派遣河南行台慕容绍宗等兵发数道进攻李延孙。李延孙奖赏勉励士兵出战，大破敌军，在交战中斩杀慕容绍宗的扬州刺史薛喜，军容更加振奋。西魏朝廷授李延孙京南行台、节度河南诸军事、广州刺史，进车骑大将军、仪同三司、大都督，赐爵华山郡公。李延孙肩负朝廷给予的重任，经常以讨平伊洛为己任。多次以少击众，威振敌境。