父梁克從，官至太常少卿。梁廷棟舉萬歷四十七年（1619年）進士，授南京兵部主事，召改禮部，歷官儀制司郎中。天啟五年（1625年），遷撫治西寧參議。官至兵部尚書。《明史》記載他「居中樞歲余，所陳兵事多中機宜」，「頗挾數行私，不為朝論所重。」曾與袁崇煥共事於遼。袁崇煥殺毛文龍之後，後金擁兵南下京城，梁廷棟上疏請斬袁崇煥，稱「則逆奴之謀既詘，遼人之心亦安」。崇禎三年（1630年）薦用孫元化為登萊巡撫。後被彈劾「納賄營私」，「得閒住去」。

崇禎八年（1635年）起用為兵部右侍郎兼右都御史，「代楊嗣昌總督宣府、大同、山西軍務」。崇禎九年（1636年）秋清兵入逼京師，「三人相掎角，皆退怯不敢戰。于是寶坻、順義、文安、永清、雄、安肅、定興諸縣及安州、定州相繼失守。」據清人所撰之《明史》稱，宣大總督梁廷棟與兵部尚書張鳳翼怯不敢戰，但尾其後而已。清兵至雄縣而返，沿途在樹上寫下「各官免送」四字。廷棟與鳳翼「兩人恇怯不敢戰，近畿地多殘破，言官交章論劾。兩人益懼，」「言官劾疏五六上，鳳翼憂甚」，自知死罪難逃，每日服食大黃取瀉求死。九月初一日張鳳翼卒，不數日廷棟亦死。

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