，隆庆四年（1570年）庚午科顺天府（今北京）乡试第一。万历十一年（1583年），会试复第一，以榜眼进士第二，授编修。累迁祭酒，历任南京吏部右侍郎、礼部右侍郎、礼部尚书、东阁大学士。万历三十四年（1606年），廷机受万历赏识，以礼部尚书兼东阁大学士入内阁参预机务，但言路认为他与前首辅申时行、沈一贯等私相授受，因而受到不少言官的反对，交章弹劾。万历三十六年（1608年），朝臣论首辅朱赓罪，兼及李廷机，李闭门数月不出，内阁事务都由当时新入阁的叶向高处理。随后数年一直不断有人上疏攻击，李萌生辞意，卖掉燕京房屋