延寿一生中最大的成就是独立完成两部正史——《南史》、《北史》。写南北朝史是李大师的夙愿，这也是个大胆、新颖的做法。那个时代，史家已习惯于或仿班固写某朝某代史，或仿司马迁写从古到今的通史，那么李大师为什么单单要把数代历史连起来写呢？他认为，南北朝时期国家分裂，南北各政权相互攻击，各国修史者均站在本国立场上，南称北为“索虏”，北称南为“岛夷”，由于偏见作怪，记他国事既不详备，又往往失实。这些史书在隋唐大统一之后更显得与时代不协调。为了全面真实反映南北朝时期的历史，李大师计划仿《吴越春秋》的体例，著一部南北朝编年体史书。可是，李大师没来得及写完这部编年史就死了。李延寿从任史官之始，就着手搜集资料，决心完成父亲的遗愿。

　　李大师的南北朝编年史完成了多少呢？李延寿在《北史·序传》谈到，在父亲旧稿中，齐、梁、陈、周、隋五代的事“所未见”。可见李大师编撰的是南朝宋、南齐和北朝魏这三代史事。大师在世时，这三代已有较完整系统的史书可供参考，即沈约所著的《宋书》，萧子显所著的《南齐书》，魏收所著的《魏书》。恰好，李延寿在贞观年间所参与撰修的梁、陈、齐、周、隋五代史，正是大师旧稿中所没有的内容，延寿正可以凭借修史的有利条件续补。所以延寿除了完成史局规定的任务，“因于编辑之暇，昼夜抄录之”，工作极为辛苦。过了两年，延寿因事离开史局，资料远未抄录完，“以所得者编次之，然尚多阙，未得及终”。幸运的是，在贞观中、后期，延寿又获准参加修《五代史志》和《晋书》，于是他进一步“遍得披寻”，继续全面搜集史料。延寿还利用自己能够接触官藏史书的有利条件，对父亲旧稿内容加以完备，“因兹复得勘究宋、齐、魏三代之事所未得者”。由于五代史修成后，暂时未予公开流布，只是藏于秘阁，延寿“不敢使人抄录”，只能自己以史官身份去翻阅抄写，又因“家素贫罄”，无钱雇人誊写，所需各种史书不得不自己动手去抄。延寿从八部正史之外，更勘杂史于正史所无者1000余卷，皆以编入，其烦冗者，即削去之。八代正史共566 卷，加上杂史1000余卷，延寿在抄录、勘究这么巨大数量史书的基础上，才写成《南史》、《北史》180 卷，史料准备和最后成书的比例大约是十比一左右，可见延寿作史的勤奋精神和认真态度。

　　延寿自述“始末修撰，凡十六载”，指的是具体编写过程所费的时间。他从贞观十七年（643）着手编纂，“本纪依司马迁体，以次连缀之”，到显庆四年（659）成书上进，时间为十六年。如果将贞观三年至贞观十七年的搜集史料时间也包括在内，那么延寿为《南史》、《北史》的诞生付出了三十年的艰苦劳动。延寿虽继父遗志修史，并参考父亲的未成稿，但并未遵循父亲旧稿的体例。李大师所作是仿《吴越春秋》，为编年体；延寿所作则仿《史记》，为纪传体，但又与《史记》不完全一样，是介于《史记》和《汉书》间的一种体例。

　　人们都熟悉，司马迁的《史记》是第一部纪传体通史，上自远古黄帝，下迄西汉武帝。班固的《汉书》是第一部纪传体的断代史，记叙西汉一代史事。后世史家纷纷仿效《汉书》的体例纂修前代史。到了唐初，官方又把《史记》以下的历代纪传体断代史列为“正史”，视为史学正宗。不过，唐以前所修的七部正史（《史记》、《汉书》、《后汉书》、《三国志》、《宋书》、《南齐书》、《魏书》）都是私家所修或是由官方批准，以个人之力完成。延寿所处时代，官修史书，宰相监修制度已确立，官修前代纪传体断代史的一统局面已定。南北朝的各代纪传体史书除前代所修三部外，其余均由本朝刚刚补齐，并且这些书都是本朝“钦定”。李延寿不过是一名普通史官，却要重修南北朝史，对本朝皇帝批准的正史加以整理刊正，显示出他是一位较有勇气和责任心的史家。他之所以这样做，原因之一是要完成父亲的修成南北朝通史的遗愿，原因之二是他对已有的南北朝各断代史不满意，他在《进书表》中批评这些史书记叙矛盾，“互陈闻见，同异甚多”，又认为这些史书采集史料不广，而那些被忽视的史料“易为湮落”，如不抓紧利用，以后即使想纠史书之失，也会“求勘无所”。