咸丰辛酉（1861）以副贡资格参加顺天乡试，考中举人。同治二年癸亥（1863）恩科进士，殿试翁曾源榜二甲（一甲3名，二甲78名，三甲119名。廖寿恒在二甲中排第5名（总8名）。同榜探花是后来成为晚清大臣的张之洞），翰林院庶吉士，戊辰（1868）散馆授翰林院编修（正七品），历任河南、湖南学政，广西、江西乡试正考官，顺天乡试副考官，己丑（1889）会试大总裁，光绪元年（1875）擢冼马，不久任侍郎，周历六部。光绪廿三年（1897）擢都察院左都御史（从一品）兼总理各国事务衙门大臣，不久任兵部尚书（从一品）兼署左都御史，晋刑部尚书（从一品），又回任兵部尚书兼署刑部尚书，廿四年（1898）任协办大学士（从一品），在军机大臣上学习行走，廿五年（1899）调礼部尚书（从一品）。诰授光禄大夫（正一品），并同时请旨诰赠父亲廖惟勋光禄大夫，诰封长兄廖寿丰光禄大夫。光绪二十六年（1900），八国联军侵京，乃借病回籍。

1884年(德宗光绪十年)署刑部左侍郎，在总理各国事务衙门行走。中、法战争中，曾力主筹饷制械，抗击法国侵略军，巩固西南边防。1897年在军机大臣上学习行走。德宗光绪二十四年1月24日与总理衙门王大臣约康有为问话，曾询及变法的方法步骤。“戊戌变法”期间，视诸臣为后进，故能有所指陈，助康有为向光绪帝送书递折，传达光绪帝的“上谕”。且助孙家鼐延请康有为为“京师大学堂”总教习，促进变法。