咸豐辛酉（1861）以副貢資格參加順天鄉(xiāng)試，考中舉人。同治二年癸亥（1863）恩科進士，殿試翁曾源榜二甲（一甲3名，二甲78名，三甲119名。廖壽恒在二甲中排第5名（總8名）。同榜探花是后來成為晚清大臣的張之洞），翰林院庶吉士，戊辰（1868）散館授翰林院編修（正七品），歷任河南、湖南學政，廣西、江西鄉(xiāng)試正考官，順天鄉(xiāng)試副考官，己丑（1889）會試大總裁，光緒元年（1875）擢冼馬，不久任侍郎，周歷六部。光緒廿三年（1897）擢都察院左都御史（從一品）兼總理各國事務衙門大臣，不久任兵部尚書（從一品）兼署左都御史，晉刑部尚書（從一品），又回任兵部尚書兼署刑部尚書，廿四年（1898）任協(xié)辦大學士（從一品），在軍機大臣上學習行走，廿五年（1899）調禮部尚書（從一品）。誥授光祿大夫（正一品），并同時請旨誥贈父親廖惟勛光祿大夫，誥封長兄廖壽豐光祿大夫。光緒二十六年（1900），八國聯(lián)軍侵京，乃借病回籍。

1884年(德宗光緒十年)署刑部左侍郎，在總理各國事務衙門行走。中、法戰(zhàn)爭中，曾力主籌餉制械，抗擊法國侵略軍，鞏固西南邊防。1897年在軍機大臣上學習行走。德宗光緒二十四年1月24日與總理衙門王大臣約康有為問話，曾詢及變法的方法步驟。“戊戌變法”期間，視諸臣為后進，故能有所指陳，助康有為向光緒帝送書遞折，傳達光緒帝的“上諭”。且助孫家鼐延請康有為為“京師大學堂”總教習，促進變法。