2004年，主演电影《绿帽子》，并凭借该片获得第18届新加坡国际电影节最佳男演员奖。
2008年，主演根据王朔同名小说改编的电影《一半是海水一半是火焰》，饰演一位“坏到极致、混到极致”的皮条客，并凭借该片提名第45届台湾电影金马奖最佳男主角奖。
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；同年，在电视剧《谍影重重之上海》中饰演阎天。
2010年，参演姜文导演的电影《让子弹飞》，饰演麻匪老三。
2011年，参演电影《建党伟业》，饰演大将军朱德； 同年，与张歆艺合作电视剧《风声传奇》，在其中扮演老潘；同年，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》，在片中饰演David。
2013年11月，在电视剧《我们这拨人》中饰演王大亮。
2014年2月16日，廖凡凭借《白日焰火》获得第64届柏林国际电影节最佳男演员奖，成为中国内地首位柏林影帝。
2015年出演电影《师父》 ；7月24日，与汤唯、苏岩主演的爱情喜剧电影《命中注定》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，与赵涛主演的电影《江湖儿女》上映，在片中饰演男主角斌哥 。
2019年，出演悬疑剧《沉默的真相》，饰演专案组副组长严良 ；4月30日，主演的电影《雪暴》上映，在片中饰演老大 。
2020年9月16日，主演的悬疑剧《沉默的真相》播出，在剧中饰演严良 。
廖凡与《将爱情进行到底》的编剧霍昕相恋，他们在2010年已经修成正果。廖凡曾几次被拍到与女友霍昕一起出游，两人的这段姐弟恋已进行数年，但他们至今没有公开承认。廖凡事业攀升，好戏不断，背后霍昕出力不小，两人相恋多年感情一直很稳定。
廖凡在拍摄期间电影《建党伟业》期间受伤，肩膀植12根钢钉。
2016年1月9日，廖凡父亲廖丙炎因病去世 。
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。
《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。
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）
