Professor, successivament, de l’Escola Politècnica de Kassel i de les universitats de Marburg, Breslau i Heidelberg, destacà pels seus treballs sobre els composts de cacodil —que permeteren d’aprofundir el concepte de radical—, per la introducció de la pila de Bunsen (pila) i per un mètode d’isolament de metalls (magnesi, alumini, sodi, bari, calci i liti) per via electroquímica a partir dels clorurs fosos. Posteriorment treballà amb Henry Enfield Roscoe en importants recerques en el camp de la fotometria (desenvolupà el fotòmetre de taca de greix), i en col·laboració amb Gustav Robert Kirchhoff, a Heidelberg, estudià els espectres d’emissió dels elements, desenvolupà vers el 1860 l’anàlisi espectroscòpica i elaborà les primeres lleis de l’espectroscòpia teòrica. Amb la nova tècnica analítica descobrí dos nous elements: el cesi i el rubidi. Els seus estudis s’estengueren, a més, a diversos aspectes de l’anàlisi volumètrica i de la calorimetria. Hom empra encara la vàlvula de Bunsen, el calorímetre de Bunsen (calorímetre de glaç) i sobretot el bec de Bunsen.