1997年10月，廖辉的启蒙教练甘永奎前往仙桃叶王小学招生，在学校里发现了身高只有1米4多点高的廖辉。甘永奎教练把从廖辉教室里叫出来，让廖辉做立定跳远，发现廖辉肩比较宽，爆发力很好，在关节的柔韧性、以及身材方面都十分适合练体重，廖辉开始了举重生涯。

2007年11月，在第六届城市运动会举重男子69公斤级比赛中，廖辉以抓举157公斤、挺举185公斤、总成绩342公斤获得冠军。其中157公斤的抓举成绩，打破全国青年纪录，超世界青年纪录。12月，在举重世界杯男子69公斤级比赛中，廖辉以抓举145公斤、挺举190公斤、总成绩335公斤获得冠军。

2008年4月，在全国举重锦标赛男子69公斤级比赛中，廖辉以抓举160公斤、挺举195公斤、总成绩355公斤获得冠军，并创造了总成绩全国纪录。8月，在北京奥运会举重男子69公斤级比赛中，廖辉以抓举158公斤、挺举190公斤、总成绩348公斤获得冠军。

2009年10月，在第十一届全国运动会举重男子69公斤级比赛中，廖辉以抓举163公斤、挺举195公斤、总成绩358公斤获得冠军；163公斤的抓举成绩打破了亚洲纪录，358公斤的总成绩打破由他自己保持全国纪录，并超世界纪录。11月，在第七十七届世界举重锦标赛男子69公斤级比赛中，廖辉以抓举160公斤、挺举186公斤、总成绩346公斤获得该级别三枚金牌。

2010年9月，在世界举重锦标赛男子69公斤级比赛中，廖辉以挺举198公斤和358公斤的总成绩获得该级别两枚金牌，以抓举160公斤获得该级别的银牌。

2011年11月，廖辉因兴奋剂被禁赛四年，禁赛期从2010年9月30日开始至2014年9月30日结束。这样他在2010年世界举重锦标赛上的成绩也被取消。2012年，廖辉上诉成功，禁赛期从四年改为两年。

2013年3月，在全国举重锦标赛暨全运会男子举重预赛69公斤级比赛中，廖辉以抓举161公斤、挺举188公斤、总成绩349公斤获得三枚金牌。9月，在第十二届全国运动会举重男子69公斤级的比赛中，廖辉以抓举161公斤、挺举187公斤、总成绩348公斤获得冠军。10月，在波兰弗罗茨瓦夫举行的世界举重锦标赛中男子69公斤级比赛中，廖辉以抓举160公斤、挺举198公斤、总成绩358公斤获得该级别三枚金牌；不仅打破了该级别挺举世界纪录，还以358公斤打破总成绩世界纪录。

2014年11月，在哈萨克斯坦阿拉木图举行的世界举重锦标赛男子69公斤级比赛中，廖辉以抓举166公斤、挺举193公斤、总成绩359公斤获得该级别三枚金牌，再次打破总成绩世界纪录。

2016年4月，在全国男子举重锦标赛暨里约奥运会选拔赛男子69公斤级比赛中，廖辉以抓举158公斤、挺举196公斤、总成绩354公斤获得该级别三枚金牌。7月，廖辉在确定无缘里约奥运后宣布正式退役。12月，廖辉宣布复出，准备备战2020年东京奥运会。

2017年9月，在第十三届全国运动会举重男子69公斤级比赛中，廖辉以抓举160公斤、挺举194公斤、总成绩354公斤获得亚军。

廖辉的抓举和挺举发展均衡，心态气势也不错。（中国举重队男队总教练陈文斌评）

廖辉曾是一名抓举弱、挺举强偏科型选手，廖辉的挺举达到180公斤时，抓举甚至连140公斤都无法完成，属于严重偏科型那种。但是在技术方面做了调整后，廖辉的抓举成绩能够达到160公斤。（中国举重队教练于杰评）