Fill del poeta Attilio Bertolucci, cercà la col·laboració de Pier Paolo Pasolini, del qual fou ajudant i deixeble, per al seu primer film La commare secca (1962), al qual seguiren Prima della rivoluzione (1966), considerat sovint com un manifest cinematogràfic de les revoltes del 1968; Partner (1968), basat en la novel·la de Dostojevskij El doble, i un dels episodis d’Amore e rabbia (1969), amb el qual tancà una primera etapa marcada per l’experimentalisme i la influència de Pasolini. Posteriorment, sense abandonar el seu compromís amb l’ideari esquerrà i la inclinació a tractar de temes i situacions límit amb un rerefons ètic, adoptà un llenguatge més transparent i més convencional, amb el qual aconseguí un gran reconeixement: realitzà, entre d’altres, Il conformista (1970), basada en l’obra homònima d’Alberto Moravia, retrat d’un home dèbil que, en defugir constantment responsabilitats, acaba devorat pel feixisme, i el telefilm La strategia del ragno (1970), una història de fatalitat a partir d’un conte de Borges.
Amb Last Tango in Paris (1972), història de solitud, amor i mort, obtingué un gran ressò, en gran part pel contingut sexual, que li comportà acusacions d'obscenitat i condemnes dels tribunals italians. També dirigí el gran fresc històric Novecento (1975-76); La luna (1979), exploració d’una identitat des de la psicoanàlisi; La tragedia di un uomo ridicolo (1981), sàtira d’una gran amargor; la superproducció guanyadora de nou Oscar The Last Emperor (1987, premi César i premi Sant Jordi del públic, 1988), en la qual la bona fe del protagonista és anorreada pel curs de la història, i The Sheltering Sky (1990), sobre la novel·la homònima de Paul Bowles, paràbola de la desolació que acompanya la vida humana. Els seus films posteriors (Little Buddha, 1993; Stealing Beauty, 1995; L’assedio, 1998; The Dreamers, 2003; Io e te, 2013) giren entorn de la recerca dels propis orígens, la rebel·lió i el retrobament en situacions molt diferents. L’any 2007 rebé el Lleó d’Or del Festival de Venècia i el 2011 la Palma d’Or del Festival de Canes, ambdós en reconeixement a la seva trajectòria.