1997年，廖凡毕业于上海戏剧学院。后参演《半生缘》、《恋爱的犀牛》等话剧，磨练了他的演技。
2004年，廖凡主演电影《绿帽子》，并凭借该片获得2005年第十八届新加坡国际电影节最佳男演员奖。
2008年，廖凡主演电影《一半是海水一半是火焰》。在这部根据王朔同名小说改编的电影里扮演一位“坏到极致、混到极致”的皮条客。并凭借该电影获得第45届台湾电影金马奖最佳男主角提名。
2009年，与刘嘉玲合演电影《用心跳》。同年出演电视剧《生死线》欧阳山川一角，饰演电视剧《谍影重重之上海》阎天。
2010年，参演姜文导演的电影《让子弹飞》，饰演麻匪老三。
2011年，廖凡参演电影《建党伟业》，饰演大将军朱德。同年与张歆艺一道出演电视剧《风声传奇》，在其中扮演潘。出演电影《失恋33天》青年陈老师一角。
2012年，参演成龙导演的电影《十二生肖》，在其中饰演David。
2013年11月，在电视剧《我们这拨人》扮演王大亮。
2014年2月16日凌晨，廖凡凭借《白日焰火》获第64届柏林电影节最佳男演员奖。
2015年出演电影《师父》。同时与汤唯、苏岩主演的爱情喜剧电影《命中注定》将于7月24日上映。
2016年，出演电影《心理罪》。
2018年4月28日，与胡歌、桂纶镁、万茜合作出演由刁亦男执导的电影《南方车站的聚会》在武汉开机；9月21日，其搭档赵涛主演的电影《江湖儿女》上映，片中饰演男主角斌哥。
南方车站的聚会2019
饰演— 导演刁亦男 主演胡歌, 桂纶镁, 万茜
江湖儿女 2018-09-21
饰演斌哥 导演贾樟柯 主演赵涛, 徐峥
邪不压正2018-07-13
心理罪2017-08-11
饰演邰伟 导演谢东燊 主演李易峰
师父2015-12-10
导演徐皓峰 主演宋佳, 蒋雯丽
命中注定 2015-07-24
饰演宋昆明 导演张皓 主演汤唯, 苏岩
白日焰火2014-03-21
饰演张自力 导演刁亦男 主演桂纶镁, 王学兵
十二生肖2012
饰演David 导演成龙 主演权相佑, 姚星彤, 成龙
北平无战事2014-11-01
饰演梁经纶 导演孔笙, 李雪 主演刘烨, 董勇, 沈佳妮
海上孟府2014
饰演榔头 导演张挺 主演段奕宏, 陈冲, 何音
女人帮2013-12-11
饰演高明 导演郑晓龙 主演邬君梅, 蒋雯丽, 梁静
我们这拨人2013-11-01
饰演王大亮 导演刘心刚 主演夏雨, 白百何, 郭京飞
风声传奇2011-03-18
饰演老潘 导演董志强 主演刘威葳, 张歆艺, 胡可
生死线2009-09-19
饰演欧阳山川 导演孔笙 主演张译, 李晨, 杨烁
2010年冬天，廖凡通过CCTV-6的《光影星播客》栏目呼吁大家关注中国扶贫基金会的“爱心包裹”项目。
2012年2月，廖凡与姚晨、冯绍峰一起为 “零钱电影计划”公益项目慷慨捐款，为使更多的贫困儿童能够看上电影尽一份力。
2013年4月2日是第6个联合国“世界孤独症日”，廖凡为活动专门录制了一段视频，用一段动人的诉说呼吁大家关爱自闭症患者。
柏林国际电影节
▪ 2014-02 第64届柏林国际电影节最佳男演员-银熊奖 白日焰火 （获奖）
中国电影金鸡奖
▪ 2017-08 第31届中国电影金鸡奖最佳男主角奖 师父 （提名）
台湾电影金马奖
▪ 2014-10 第51届台湾电影金马奖最佳男主角奖 白日焰火 （提名）
▪ 2008-10 第45届台湾电影金马奖最佳男主角奖 一半海水一半火焰 （提名）
中国长春电影节-金鹿奖
▪ 2014-08 第12届中国长春电影节-金鹿奖最佳男主角奖 白日焰火 （提名）
北京大学生电影节
▪ 2019-06 第26届北京大学生电影节最佳男演员奖 江湖儿女 （提名）
▪ 2016-05 第23届北京大学生电影节最佳男演员奖 师父 （提名）
▪ 2014-05 第21届北京大学生电影节最佳男主角奖 白日焰火 （提名）
华语电影传媒大奖
▪ 2016-04 第16届华语电影传媒大奖最佳男主角奖 师父 （提名）
▪ 2015-07 第15届华语电影传媒大奖最佳男主角奖 白日焰火 （提名）
▪ 2007-05 第7届华语电影传媒大奖最佳男配角奖 好奇害死猫 （提名）
亚洲/亚太电影大奖
▪ 2015-03 第9届亚洲电影大奖最佳男主角奖 白日焰火 （获奖）
▪ 2014-10 第8届亚太电影大奖最佳男主角奖 白日焰火 （提名）
影评人协会奖
▪ 2014-06 第23届上海影评人协会奖最佳男演员奖 白日焰火 （获奖）
中国电影导演协会奖
▪ 2019 第10届中国电影导演协会年度男演员奖 江湖儿女 （提名）
▪ 2015 第6届中国电影导演协会年度男演员奖 白日焰火 （获奖）
新加坡国际电影节
▪ 2005-05 第18届新加坡国际电影节最佳男演员奖 绿帽子 （获奖）
他是一个很彻底的人物，他甚至不隐瞒自己的自私和暴虐。
《十二生肖》中，在众多炫酷科技的渲染下，让外表刚俊的廖凡身上多了一缕儒雅博学的气质。
以文艺气息示人的纯爷们廖凡演起了技术总监，起初让人有些摸不着头脑。而廖凡则表示“演的就是技术宅，但技术宅也可以很性感，很有魅力。
廖凡展拳脚 科技控不失文艺范。自己的独特气质融入进了角色，让人们看到了硬汉技术总监也有自己阳光文艺的一面。（中新网）
