其父杜周，曾任御史大夫。延年精通法律，以蔭補軍司空。漢昭帝元始四年（前83年），率南陽士卒平定益州蠻反叛，升諫大夫。杜延年見國家過份奢侈，向大將軍霍光進言：「年歲比不登，流民未盡還，宜修孝文時政，示以儉約寬和，順天心，說（同悅）民意，年歲宜應。」昭帝元鳳元年（前80年），桑弘羊為子弟求官不得，心懷怨望，暗中與上官桀父子、昭帝姐鄂邑蓋主、燕王劉旦合謀誅殺霍光，進而廢帝，立燕王。為延年所舉發，霍光盡誅上官桀與桑弘羊家族，劉旦、鄂邑長公主等自殺。因功封建平侯，為太僕、右曹、給事中。

漢宣帝地節四年（前66年）七月，霍禹等謀反被誅，杜延年因是霍氏舊吏而被免官。後任北地太守，「選用良吏，捕擊豪強，郡中清靜」，改任西河太守，政績卓著。甘露二年（前52年）以老病免，不久即死。著有《杜延年律章句》（小杜律）流于世。

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