De 1950 à 1979, il vit une longue période d'industriel, notamment à Saint-Gobain, et s'établit successivement en Algérie, en Australie, au Maroc, au Venezuela, aux États-Unis et enfin en Italie. Il revient en France en qualité de président de Saint-Gobain Vitrage, puis il est directeur général adjoint responsable du développement international.
Il devient membre de l'Union des Français de l'étranger (UFE) en 1960, accède au poste de 2e vice-président de cette organisation en 1979 et est administrateur de plusieurs sociétés italiennes.
En 1986 et 1995, il est élu sénateur représentant les Français établis hors de France. En 1993, 1995 et 1998, il est élu président de la commission des Affaires étrangères, de la Défense et des Forces armées du Sénat.
Il démissionne en 2002 de ses postes liés à l'international à la suite de la nomination de son fils, Dominique de Villepin, au poste de ministre des Affaires étrangères, afin de ne pas le gêner. Achevant son mandat de sénateur en 2004, il ne se représente pas.
La famille Galouzeau de Villepin est une famille d'ancienne bourgeoisie : Honoré Galouzeau, notaire, épousa Marie Tourmont de Villepin au XVIIIe siècle. Leur arrière-petit-neveu François-Xavier, avocat, se fera appeler Galouzeau de Villepin au XIXe siècle, et il eut une nombreuse postérité. La descendance directe de Marie-Eugénie de Blair de Balthayock et de son époux François-Xavier Galouzeau de Villepin compte de nombreux serviteurs de l'État, officiers militaires, sénateur, diplomate, chef d'entreprises, diplômés des grandes écoles françaises (notamment Saint Cyr, Polytechnique, HEC et ENA); on trouve dix-huit décorés de la Légion d'honneur, dont seize à titre militaire.
Xavier Galouzeau de Villepin est le père de trois énarques, issus de son mariage avec Yvonne Marie Madeleine Hétier (03/04/1925-10/03/2004) :
