Nato a Parma nel marzo 1941, era figlio del critico letterario e poeta Attilio Bertolucci (1911-2000), fratello del regista cinematografico ed autore teatrale Giuseppe (1947-2012) e cugino del produttore cinematografico Giovanni (n. 1940).

Inizialmente interessato alla poesia, si iscrive alla Facoltà di Letteratura Moderna dell'Università di Roma La Sapienza, ma ben presto abbandona gli studi per il cinema, esordendo come assistente alla regia di Pier Paolo Pasolini (1922-1975) - il quale abitava nel suo stesso edificio di via Giacinto Carini 45, nel quartiere romano di Monteverde - e compiendo i primi passi come sceneggiatore. Proprio grazie a Pasolini ed all'interessamento del produttore Cino Del Duca, lavorerà come assistente alla regia di Accattone (1961), esordio alla regia del grande scrittore, saggista, giornalista, poeta ed intellettuale friulano.

L’anno seguente, con Tonino Cervi produttore, realizza La commare secca (1962), il suo primo lungometraggio, su soggetto e sceneggiatura di Pasolini.

Negli anni successivi, si allontana a poco a poco dal mondo e dalla poetica di Pasolini per inseguire un'idea personale di cinema fondata soprattutto sull'individualità di persone che, sotto un profilo esistenziale e politico, si trovano di fronte a bruschi cambiamenti del loro mondo e di quello circostante senza poter - o volere - cercare una risposta. Tale tematica sarà presente quasi in tutte le sue opere, a partire da Prima della rivoluzione (1964), il suo secondo film.

Anche nei film successivi, proseguirà il suo personale discorso sull’ambiguità esistenziale e politica, soprattutto in Partner (1968), in Strategia del ragno (1970), tratto da Jorge Luis Borges, e ne Il conformista (1970). tutte opere che verranno presentate in numerosi festival cinematografici, ma che avranno scarso successo di pubblico.

La grande notorietà arriva nel ’72 con Ultimo tango a Parigi, interpretato da Marlon Brando e Maria Schneider, un film “scandaloso” che, di fatto, ha segnato un'epoca. Pellicola in cui il sesso viene visto come unica - anche se vacua ed effimera - forma di trasgressione all’ inesorabile deriva dei protagonisti, che vivono profondi drammi esistenziali e travagliate relazioni. Ultimo tango a Parigi verrà molto contestato in Italia, a tal punto da scatenare una vera e propria “guerra di censura” che procurerà a Bertolucci una condanna per “offesa al comune senso del pudore” e la privazione di alcuni diritti civili per circa quattro anni. Dopo vari processi d'appello, la pellicola verrà dissequestrata solo undici anni dopo, nel 1987.

A partire dal ’76  aumenta la sua notorietà con opere quali Novecento (1976), epico affresco delle lotte contadine emiliane dai primi anni del Novecento alla Seconda guerra mondiale e che si avvale di un cast di primissima scelta (Laura Betti, Francesca Bertini, Robert De Niro, Gerard Depardieu, Sterling Hayden, Burt Lancaster, Dominique Sanda, Stefania Sandrelli, Donald Sutherland, Romolo Valli), e L'ultimo imperatore (1987), altro grande successo internazionale che vincerà ben nove premi Oscar, fra cui quelli per Miglior Film e Miglior Regia.

Diventa così il primo - e finora unico - regista italiano a vincere il premio di categoria. Nel ’90 gira in Marocco Il tè nel deserto, mentre tre anni dopo realizza Piccolo Buddha (1993), che si svolge in Nepal e negli Stati Uniti.

In seguito torna a girare in Italia riprendendo le tematiche intimiste con alterni risultati di critica e pubblico, a partire da Io ballo da sola (1996), per poi proseguire con L'assedio (1998) e The Dreamers (2003), che ripercorre una vicenda di passioni politiche e rivoluzioni sessuali di una coppia di fratelli, nella Parigi del ’68.

Nel 2007 gli viene conferito il Leone d'Oro alla Carriera alla Mostra del Cinema di Venezia, e, quattro anni dopo - nel 2011 - la Palma d'Oro alla Carriera al Festival di Cannes.

L'anno successivo dirige Io e te (2012), versione cinematografica del libro omonimo di Niccolò Ammaniti.

Nel 2014, in occasione della mostra Pasolini Roma, Bernardo Bertolucci ha avuto modo di reincontrare il grande fotografo Carlo Riccardi (classe 1926), suo amico di lunghissima data e che lo aveva già immortalato negli anni Sessanta, all'epoca de La commare secca (Premio Viareggio 1962, a cui avevano partecipato anche Pier Paolo Pasolini e Adriana Asti) e Prima della rivoluzione.

Fra le altre regie ricordiamo i cortometraggi documentaristici Il canale (1966), La salute è malata (1971) e Cartoline dalla Cina (1985), La via del petrolio (1967), serie tv documentaristica in tre episodi, il documentario L’addio a Enrico Berlinguer (1984), Bologna (1989), episodio del documentario 12 registi per 12 città, Histoire d’eaux (2002), episodio di Dieci minuti più vecchio: il violoncellista, Scarpette rosse (2011), episodio del documentario Venice 70: Future Reloaded.

Ha prodotto Sconcerto rock (1982) di Luciano Manuzzi, Io con te non ci sto più (1982) di Gianni Amico e Il trionfo dell’amore (2001) di Clare Peploe e, da attore, all’inizio degli anni Novanta è apparso in Golem, lo spirito dell’esilio (1992) di Amos Gitai.