二零一一年九月二十二日，于山东日照举办的全国游泳锦标赛上，毛飞廉与队友孙杨、汪顺、施浩然携手出战男子4×200米自由泳接力项目，最终以7分21秒25的优异成绩顺利夺冠，为浙江队赢得一枚宝贵的金牌。同年十月二十二日，在第七届全国城市运动会男子200米个人混合泳决赛中，毛飞廉再次展现出色状态，以2分01秒24的成绩夺得该项目的亚军。进入二零一三年，其竞技表现持续攀升。四月六日，在全国游泳冠军赛上，毛飞廉在男子200米蛙泳比赛中游出2分11秒16，一举打破全国纪录并摘得金牌；六月三十日，于第四届亚洲室内与武道运动会游泳比赛中，他为中国代表团夺得赛事首金；九月八日，在第十二届全运会男子200米蛙泳决赛中，他再次突破自我，以2分10秒25的成绩刷新全国纪录，成功斩获冠军；十月二十九日，在2013年全国游泳锦标赛男子4×100米混合泳接力决赛中，由徐嘉余、毛飞廉、汪顺、楼俊毅组成的浙江队配合默契，以3分38秒79的总成绩夺得冠军。此外，在该年度多项赛事中，毛飞廉在男子100米蛙泳项目上获得第三名，在男子200米个人混合泳项目上也取得第三名，并在男子200米蛙泳项目中多次夺得第一，充分展现了他在蛙泳项目上的稳定实力与统治地位。 二零一五年八月八日，毛飞廉出战在俄罗斯喀山举行的游泳世锦赛男子200米蛙泳决赛，最终以2分10秒02的成绩获得第八名。二零一六年二月一日，他荣获国际级运动健将称号；同年四月，他参加2016年钜派杯全国游泳冠军赛暨里约奥运选拔赛男子200米蛙泳项目，以2分09秒98的成绩夺冠；六月五日，在地中海系列赛摩纳哥站比赛中，他在男子200米蛙泳项目上以2分12秒91获得第三名；九月，他在全国游泳锦标赛男子400米个人混合泳中以4分17秒69的成绩夺冠；十一月十七日，他参加2016年亚洲游泳锦标赛男子400米个人混合泳决赛，以4分15秒73的成绩获得第三名；十一月十九日，在同一赛事男子200米蛙泳项目中，他以2分11秒95的成绩夺得亚军。 二零一七年九月六日，在天津奥林匹克中心游泳跳水馆举行的第十三届全运会游泳比赛中，由傅园慧、毛飞廉、李朱濠、朱梦惠组成的浙江队，在男女4X100米混合泳接力项目上发挥出色，以3分43秒71的成绩夺得冠军。二零一八年四月十六日，他参加2018年全国游泳冠军赛男子400米个人混合泳决赛，以4分17秒46的成绩获得第三名。二零二一年九月二十日，在第十四届全运会男子4×200米混合泳接力比赛中，毛飞廉助力浙江队夺得冠军；九月二十五日，在第十四届运动会男女4x100米混合泳接力决赛中，他所在的浙江队获得亚军；九月二十六日，毛飞廉在第十四届运动会游泳男子4×100米混合泳接力赛中再次助队取得第二名。
二零一七年九月二十八日上午，中国国家游泳队的几位优秀运动员徐嘉余、汪顺、毛飞廉和李广源一同来到致远游泳健身馆，与正在馆内参加游泳课程的八十多位学弟学妹们展开了一场别开生面的技术交流活动。他们不仅细致地讲解并示范了游泳中的各项关键技术要领，还亲自走入各个班级的教学现场，针对蹬壁滑行的启动技巧、蛙泳腿部动作的协调发力以及划水与换气的配合节奏等具体环节，为同学们提供了耐心而专业的指导，并根据每个人的实际表现给出了个性化的改进建议。活动临近尾声时，现场气氛愈加热烈，徐嘉余与毛飞廉还和部分同学进行了一场轻松愉快的追逐赛，将现场的学习氛围推向了高潮。课程结束后，四位运动员与全体参与同学亲切合影留念，他们纷纷表示，今后非常愿意在学校里与大家保持联系，创造更多这样面对面交流与互动的机会。值得一提的是，在二零二二年四月六日，毛飞廉参与演出的电视剧《泳往直前》已于宁波顺利完成全部拍摄工作，正式杀青。