陳濟桓少時投軍，後被選入桂林學兵營學習，在辛亥革命時曾隨廣西新軍響應，並隨軍前往南京。民國成立後，陳濟桓加入桂軍馬濟部（武衛軍）擔任連、營長，從屬於舊桂系。1921年舊桂系崩解，陳濟桓改投馬曉軍部擔任參謀，不久轉入黃紹竑部下為副官；黃紹竑與李宗仁部合併為定桂討賊軍後，陳濟桓出任第一支隊司令，從此成為新桂系成員。北伐期間，陳濟桓出任國民革命軍第七軍（新桂系部隊）第一獨立團團長，後升任第七軍第一師二十一團團長、軍部參軍等，隨夏威所部留守武漢。
1929年蔣桂戰爭後，陳濟桓避居香港，次年隨李宗仁返回廣西，任南寧防守副司令，後升任第四十二師師長、第五路軍參軍等，並於中央軍校南寧分校學習。抗戰開始後，陳濟桓出任廣西綏靖公署參軍兼第二礦區主任，於1943年晉升少將。1944年，日軍發動「一號作戰」，由湖南攻廣西入；陳濟桓擔任桂林城防司令部參謀長，率部堅守城池。11月9日，陳濟桓在桂林城破後舉槍自盡，後追贈為中將。