Sau khi đỗ, ông được lưu lại Huế học tiếng Pháp tại Tứ Dịch quán. Năm 1901, được bổ làm tri huyện Đông Sơn rồi tri phủ Nga Sơn ở Thanh Hóa. Năm 1905, làm chủ sự bộ Hình rồi chủ sự Quốc sử quán ở kinh đô. Năm 1908, được bổ làm tri huyện Phù Cát (Bình Định). Năm 1912, làm viên ngoại phụ chánh Cơ mật viện, hàm Quang lộc tự thiếu khanh. Khoa thi năm Quý Sửu (1913), làm quan duyệt quyển cùng với Nguyễn Thiện Hành - biện lý bộ Học. Hai năm sau, được thăng hàm Hồng lô tự khanh, làm phó chủ khảo trường thi Hương tại Nghệ An. Năm 1916, ông làm Án sát Quảng Ngãi.

Năm 1920, ông được triệu về Huế, giữ chức Tham tri lần lượt ở bộ Hình, bộ Công và bộ Lại. Năm 1929, ông được bổ làm thượng thư bộ Binh. Đến năm 1933, vua Bảo Đại cải tổ nội các, bãi nhiệm cùng lúc 5 thượng thư, trong đó có cả Phạm Liệu. Hoài Nam Nguyễn Trọng Cẩn (1900-1946) có bài thơ ghi lại biến cố chính trị này:

Năm cụ khi không rớt cái ình Đất bằng sấm dậy giữa thần kinh. Bài không đeo nữa đem dâng Lại.Đàn chẳng ai nghe khéo dở Hình.Liệu thế không xong Binh chẳng được.Liêm đành chịu đói Lễ đừng dinh.Công danh như thế là hưu hỉ Đại sự xin nhường kẻ hậu sinh.

Bài thơ chơi chữ ghi tên và chức vụ thượng thư gồm

• Bài: Nguyễn Hữu Bài: Thượng thư bộ Lại.
• Đàn: Tôn Thất Đàn: Thượng thư bộ Hình.
• Liệu: Phạm Liệu: Thượng thư bộ Binh.
• Liêm: Võ Liêm: Thượng thư bộ Lễ.
• Đại: Vương Tứ Đại: Thượng thư bộ Công.

Sau khi hồi hưu, ông về an dưỡng tại quê nhà và mất ngày 21 tháng 11 năm 1937 (có tài liệu ghi năm 1936), hưởng thọ 66 tuổi. Triều đình truy phong tước Trừng Giang Nam, giao việc tế lễ và mai táng cho quan chức đầu tỉnh Quảng Nam tổ chức.

Khi ông qua đời, danh sĩ đồng hương Huỳnh Thúc Kháng đã phúng điếu một câu đối, mà nay còn được lưu truyền:

Văn tự quả hữu túc duyên đa, ấu nhi tĩnh tường nghệ chiến, lão nhi kinh đệ minh đàm, trừ trung gian quốc sự dịch kỳ trần lộ sâm thương dư nẫm tái.Hà sơn do thụy giai khí giả, cựu tắc Hán học thành tinh, tân tắc Âu khoa nhược trí, thứng vãn tấn châu bình nguyệt đán khẩu bi danh tánh mỗi song đề.

Diễn ý:

Văn chương chữ nghĩa có đầy duyên tứ trước vậy. Lúc nhỏ học trường tỉnh, ganh đua nghiệp văn. Khi già ở nhà khách tại kinh đô đàm luận. Ngoài việc biến đổi quốc sự, thì đường trần ai (tôi và ông) xa cách nhau hơn 20 năm.Sông núi do tú khí tạo nên, Hán học tinh thông, Tây học còn non yếu. Mỗi tháng cùng bạn văn chương bình thời sự. Danh tánh đều được bia đá bia miệng lưu truyền.

Phần mộ của ông ở xã Điện Trung về sau được gia đình cho xây lại năm 1997, cạnh một nghĩa địa nhỏ. Bia mộ ghi rất sơ sài: Phạm Liệu, tự Sư Giám, hiệu Tang Phố, Tiến sĩ khoa Mậu Tuất (1898). Điều đặc biệt có hai chữ “ngũ phụng” ở phía dưới, nhưng không rõ vì sao bị bỏ mất hai chữ “tề phi”?[1]