辛亥革命时，又参加了淮上军，因功升任第七旅第十三团副团长。不久，部队被北洋军打垮，只好解甲归田。业农商，有地产40亩，自给尚余。廖泽周幼年时先后就读东乡廖家湾国民学校、上海私立工惠学校、安庆省立职业学校。1923 年，就读安庆职业学校时，积极参加柯庆施领导的反对北洋军阀祸国殃民的爱国学生运动（揭批曹锟贿选丑剧的运动），后遭到北洋政府的通缉，被迫离校。

1924年1月由袁家声、廖梓英介绍加入国民党，同年3月再由其二人保荐投考黄埔军校，同年5月入黄埔军校第一期第三队学习，同队的有陈赓、杜聿明、李仙洲、侯镜如、王之宇等。1924年11月底毕业，分配至第二期学生总队部当教育副官。次年2月参加了第一次东征，担任东征军总指挥部警卫连队长，在棉湖战役中，随周恩来投入战斗。东征后任黄埔军校潮州分校学生队第一队队长。6月，又参加了平定杨希闵、刘震寰的叛乱。1926年6月，经孙一中、曹渊介绍加入中国共产党。

1926年7月黄埔军校潮州分校解散后，廖运泽调至黄埔军校武汉分校，任第五期政治大队第四队少校队长、第三队中校队长，1927年5月，邓演达调廖运泽到北伐军叶挺的第二十四师第七十二团当副团长，后任国民革命军第11军二十四师七十二团副团长（团长许继慎）。

1927年5月，参加了武汉反击夏斗寅叛变战斗，在纸坊战斗中腿部受伤。7月，伤愈归队代行团长（许继慎也在纸坊战斗中受伤）之职。随后率部参加了“八·一”南昌起义。起义中第72团解除了国民革命军第3军第23、第24团的武装。后随起义队伍南下潮汕，72团于8月30日率先攻克会昌，又于次日击退了尾追的黄绍竑部。后部队在汤坑战斗中失利，他在突围中打散，失去与周恩来等人的联系，只好经汕头后转赴上海。 

1928 年廖运泽受中共安徽省临委负责人尹宽指派，与中共党员孙一中、许光达、廖运周等在寿州帮助柏文蔚筹办国民党军三十三军学兵团，秘密建立中共地下党组织，进行兵运工作。后因身份暴露，逃离寿州。

1928年春任第三十三军学兵团教育长，与中共脱离组织关系。后任第四十二军高参，淮军第一师新编第五旅营长，暂编第二旅副团长．独立第四十旅上校团长，第九十五师补充旅少将旅长。

抗日战争爆发后，任第九十二军二十一师副师长。1938年5月任第二十一师师长兼阜阳警备司令，1939年任军事委员会华南衡阳（南岳）抗日游击干部训练班任副总队长，在训练班教育长叶剑英的领导下做了许多有益于团结抗日的事情。同年秋任第五战区第九十二军暂编第十四师师长。后率部在豫东、皖北等地抗击日本侵略军。日本投降后，奉命在徐州济南接受日本投降。

1943年10月任骑兵第二军军长。1945年2月授陆军少将，任第九十六军代理军长，后改任国防部中将部员。