天文元年（1532年）、武田信虎の六男として生まれた。同母兄に武田信玄（晴信）がいる。骨相が信玄によく似ていたため影武者を務めることもあったと伝わり、元亀4年（1573年）4月に信玄が死去した際には、信廉が信玄になりすまして軍勢を無事に甲府へ引き揚げさせたとする逸話が残る。武田家中では親族衆の重鎮として重用され、永禄4年（1561年）頃から信濃国高遠城主を務め、信玄の死後は出家して「逍遥軒信綱」と号し、飯田城代・大島城代など信濃南部の要職を任された。絵師としても知られ、甲府・大泉寺所蔵の「武田信虎像」（重要文化財）をはじめ、武田家ゆかりの肖像画を複数手がけたことで名を残している。天正10年（1582年）3月、織田信忠率いる織田軍が南信濃から侵攻すると（甲州征伐）、信廉は大島城を十分な抵抗もせず放棄して甲斐へ退却した。しかし逃亡中に捕らえられ、主君・武田勝頼の自刃（3月11日）から13日後の3月24日、甲斐府中で織田方の森長可配下の武将により処刑された。享年51。

武勇よりも文化的才覚に秀でた人物とみられ、画家としての繊細な観察眼を持つ一方、信玄の影武者を務めるほど胆力もあったと伝わる。しかし当主・信玄や甥・勝頼のような戦局を打開する決断力には欠け、晩年の大島城放棄は武田家中の統率の乱れを象徴する出来事として語られる。

武田信廉が手がけた「武田信虎像」は重要文化財に指定され、戦国大名の肖像画として貴重な史料となっている。信玄の影武者を務めたという逸話は、後世の武田信玄関連の物語・創作作品にもしばしば取り入れられている。信廉が最後に城代を務めた大島城（長野県松川町）は現在も台城として遺構が保存され、南信濃における武田氏の防衛拠点の歴史を伝えている。