1997年毕业于上海戏剧学院表演本科，现任中国国家话剧院演员，参加多部电视剧拍摄，包括《北京深秋的故事》、《将爱情进行到底》、《像雾像雨又像风》《风吹云动星不动》等名剧，并多次出前卫话剧，有《思凡》、《死无葬身之地》、《关于家情归宿的最新观念》、《恋爱中的犀牛》、《半生缘》等。2004年在阿甘导演的《天黑请闭眼》中出演主要角色，也是他第一次在大银幕担任主要角色。2006年他又出现在张一白导演的《好奇害死猫》中，扮演保安奋斗，接下来又出现在张扬作品《落叶归根》中。

2007年出演冯小刚的《集结号》。08年的电影作品是《一半海水一半火焰》，电视剧作品是《相思树》。 从早年的偶像剧《将爱情进行到底》到后来赵宝刚、刘心刚等执导的大戏《别了，温哥华》、《像雾像雨又像风》、《好想好想谈恋爱》等中，廖凡都是个少不了的“小花脸”，既衬托了主角陈坤、陆毅、李亚鹏等小生，也凭借自己顽强的“小打小闹”精神让观众接受并喜爱。在话剧舞台上，廖凡是顶梁柱，《半生缘》、《恋爱的犀牛》、《关于爱情归宿的最新观念》等话剧，都留下了廖凡的身影。 廖凡凭借电影《一半海水一半火焰》中出色表现而获得2008金马奖最佳男主角提名，被台湾媒体誉为本届影帝之争的最大黑马。他在台湾出席了金马颁奖典礼，达成了廖凡旧时心愿。

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》