1999年，延政勋出演SBS电视剧《波涛》中小配角正式出道。2000年，延政勋出演由申允燮执导的SBS电视剧《KAIST》。2001年9月，延政勋首次参演韩国电影《我老婆是大佬》。2002年，延政勋出演KBS短剧《Drama City》青春篇。
2003年2月，延政勋出演爱情剧《黄手帕》，剧中饰演外表像流氓但内心单纯温柔的“尹泰英”，凭该剧获得KBS演技大赏最佳新人奖。10月，延政勋与金泰希、李东健合作主演SBS日日剧《兴夫家的葫芦开了》，同年，出演KBS电视剧《迷迭香》。
2004年3月，延政勋首次担任主演，在电视剧《白雪公主》中饰演花花公子“韩振宇”；6月，与张娜拉合作主演KBS周末剧《我想要爱》，饰演和宝拉同岁的大学生延天赫。
2005年1月5日，延政勋与金喜善、权相佑合作主演KBS水木剧《悲伤恋歌》，饰演爱慧仁至深的李健宇；1月13日，与河智苑合作主演电影《长腿叔叔》，片中饰演电台资料室管理员金俊浩；5月，延政勋与吴允儿主演的电影《恋爱魔术师》在韩国上映。
2008年8月，延政勋与宋承宪、李妍熙合作出演MBC月火剧《伊甸园之东》，剧中饰演理性的精英检察官“东旭” ，获得MBC 演技大赏导演特别奖。
2009年7月，延政勋在电视剧《梦想》中客串引退体育界的棒球选手。
2010年1月，与韩惠珍合作主演时代剧《济众院》，剧中饰演被西学所吸引而投身医道的白道阳一角。
2011年10月，延政勋主演悬疑剧《吸血鬼检察官》，剧中饰演利用特殊能力解决各种社会问题主持正义的“闵泰延”。
2012年3月，与严智苑合作主演MBN周末剧《爱情能用钱买吗》，饰演除了钱以外什么都不相信的J酒店会长马仁卓；9月，主演《吸血鬼检察官》第2季《吸血鬼检察官2》。
2013年3月，延政勋主演陈炯泰执导的动作电影《好朋友们》；4月，延政勋搭档韩智慧主演MBC周末剧《金子轻松出来吧》，饰演钻石界巨头集团股东的长男朴贤秀，凭该剧获得MBC演技大赏优秀演技奖。
2014年1月，延政勋在爱情微电影《爱情来的时候》第三单元中饰演韩语老师。
2015年5月，延政勋与朱智勋、秀爱合作，首次出演反派，在电视剧《假面》中饰演表面善良有正义感但内心充满了野心的闵锡勋。
2016年7月21日，与成龙合作出演的好莱坞电影《绝地逃亡》在中国上映，片中饰演犯罪组织头目的左膀右臂。
2017年4月21日，在电视剧《MAN X MAN》中饰演松山集团财阀三世穆胜在。10月14日，主演的电视剧《Bravo My Life》播出，在剧中饰演电视剧PD申东宇。
2018年，主演电视剧《我的爱情治愈记》，获得MBC演技大赏连续剧部门最优秀演技奖。