Bhansali a commencé sa carrière comme assistant de Vidhu Vinod Chopra et a participé à la réalisation de Parinda, 1942 : A Love Story et Kareeb. Cependant, ils se sont brouillés lorsque Bhansali a refusé de réaliser Kareeb. En 1996, il fait ses débuts de réalisateur avec Khamoshi : The Musical, un film sans succès commercial mais acclamé par la critique, qui raconte la lutte d’une fille pour communiquer avec ses parents sourds-muets. Le film a remporté le prix de la critique du meilleur film au Filmfare. Il s’est fait connaître dans le cinéma indien avec une histoire d’amour triangulaire, Hum Dil De Chuke Sanam, avec Aishwarya Rai, Salman Khan et Ajay Devgan, qui a établi son empreinte individuelle pour la splendeur visuelle et la création d’auras de célébration et de fête. Le film a été présenté en première dans la section Panorama indien du Festival international du film de l’Inde 1999. Il a remporté un grand succès commercial et critique, ainsi que de nombreux prix, dont quatre National Awards et neuf Filmfare Awards.
Son film suivant, Devdas, avec Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai et Madhuri Dixit, était l’ode de Bhansali au roman du même nom, qui est devenu le film le plus rentable de 2002. Le film a également reçu un accueil unanime de la part des critiques et a remporté toutes les principales récompenses de la Filmfare, devenant ainsi le film le plus primé de la Filmfare (à égalité avec Dilwale Dulhania Le Jayenge en 1995). Lors de la 50e édition des National Film Awards, il a remporté cinq prix, dont celui du meilleur film populaire offrant un divertissement sain. Il a été nommé dans la catégorie du meilleur film étranger à la British Academy of Film & Television Awards (BAFTA). C’était la candidature de l’Inde à l’Oscar du meilleur film en langue étrangère. Le film a également été projeté au Festival de Cannes 2002. Il s’est classé huitième dans le classement des « 10 plus grands films du millénaire (jusqu’à présent) » du magazine Time. Son film suivant, Black, avec Amitabh Bachchan et Rani Mukerji, a battu son propre record de Devdas en remportant onze prix, le plus grand nombre de récompenses jamais décernées à un seul film au Filmfare. Il s’est classé cinquième dans le classement des « 10 meilleurs films de l’année 2005 » du Time (Europe) parmi les films du monde entier. Lors de la 53e édition des National Film Awards, il a reçu son deuxième prix national pour le meilleur long métrage en hindi. Hum Dil De Chuke Sanam, Devdas et Black lui ont valu plusieurs prix du meilleur réalisateur et du meilleur film au Filmfare, ce dernier ayant également reçu le prix supplémentaire de la critique pour le meilleur film. En 2006, Bhansali a participé en tant que juge à l’émission de télé-réalité Jhalak Dikhhla Jaa aux côtés de Farah Khan et Shilpa Shetty.
Le film suivant de Bhansali, Saawariya (sorti en 2007), a été accueilli par de vives critiques et de mauvaises collections au box-office. En 2008, Bhansali a mis en scène l’opéra Padmavati, une adaptation du ballet de 1923 écrit par Albert Roussel. Le spectacle a été créé à Paris au prestigieux Théâtre du Châtelet, puis au Festival dei Due Mondi, où il a reçu « quinze minutes d’ovation et sept rappels de rideau à la fin de la première représentation. » Bhansali a reçu de nombreux commentaires positifs de la part des critiques internationaux pour son travail. En 2010, Bhansali a sorti Guzaarish, avec Hrithik Roshan et Aishwarya Rai, dans lequel il a également fait ses débuts dans la direction musicale. Le film a reçu des critiques positives ou mitigées, mais n’a pas obtenu de bons résultats au box-office. Guzaarish lui a valu une nomination comme meilleur réalisateur à Filmfare. En 2011, il est devenu juge dans l’émission musicale indienne X Factor India Season 1. La même année, il a également produit le film de comédie musicale My Friend Pinto, qui a également reçu des critiques mitigées et s’est effondré au box-office. En 2012, Bhansali a produit Rowdy Rathore, un remake du film telugu Vikramarkudu, avec Akshay Kumar et Sonakshi Sinha et réalisé par Prabhu Deva. Le film a reçu des avis mitigés de la part des critiques et est devenu un grand succès commercial, Box Office India l’ayant qualifié de film à succès. L’année suivante, il a produit Shirin Farhad Ki Toh Nikal Padi qui a également reçu des critiques mitigées, mais n’a pas pu obtenir de bons résultats au box-office.
En 2013, Bhansali a réalisé Goliyon Ki Raasleela Ram-Leela, une adaptation de Roméo et Juliette de Shakespeare, avec Ranveer Singh et Deepika Padukone . Certains groupes religieux se sont opposés au film en affirmant que l’ancien titre Ramleela était trompeur, car le film n’avait rien à voir avec Ramlila, la représentation traditionnelle de la vie et de l’histoire de la divinité hindoue, Lord Rama. La sortie du film avait été suspendue par la Haute Cour de Delhi en raison de la controverse sur son titre, au motif que le film heurtait les sentiments religieux des hindous. Plus tard, le titre du film a été changé en Goliyon ki Rasleela Ram-Leela, et est finalement sorti en Inde comme prévu. Cependant, après une semaine de sortie, le tribunal de Lucknow de la Haute Cour d’Allahabad a interdit la sortie du film dans l’Uttar Pradesh. Malgré la controverse et la sortie limitée, le film a ouvert ses portes sous les acclamations de la critique et de fortes collections au box-office dans le monde entier, rapportant finalement ₹2,02 milliards (31 millions de dollars US) et émergeant comme le cinquième film le plus rentable de 2013. Le film a récolté plusieurs nominations pour des prix pour Bhansali, y compris des nominations pour le meilleur film et le meilleur réalisateur au Filmfare. La même année, Bhansali a fait ses débuts à la télévision avec l’émission Saraswatichandra, avec Gautam Rode et Jennifer Winget, qu’il a ensuite quittée après quelques épisodes.
L’année suivante, il a produit le film sportif biographique Mary Kom avec Priyanka Chopra, qui a été présenté en première au Festival international du film de Toronto 2014, devenant ainsi le premier film hindi à être projeté lors de la soirée d’ouverture du festival. Le film est devenu un succès commercial et critique et a reçu diverses accolades ainsi qu’une nomination pour le meilleur film au Filmfare. Lors de la 62e cérémonie des National Film Awards, Bhansali a reçu un autre National Award pour le meilleur film populaire offrant un divertissement sain pour le film. En 2015, il a produit le film d’action dramatique Gabbar Is Back avec Akshay Kumar, qui a également été un succès commercial avec des critiques positives. La prochaine entreprise de réalisation de Bhansali était son projet de rêve, la romance d’époque Bajirao Mastani (2015), basée sur l’histoire d’amour entre le Peshwa Baji Rao I et sa deuxième épouse Mastani. Ranveer Singh et Deepika Padukone jouaient les rôles-titres, tandis que Priyanka Chopra incarnait Kashibai, la première épouse de Bajirao. Le film a été annoncé en 2003 et n’a cessé de faire parler de lui en raison de son casting, composé d’acteurs tels que Salman Khan, Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai Bachchan, Kareena Kapoor et Rani Mukerji. Les descendants de Bajirao I et Mastani ont exprimé leur désapprobation à l’égard de ce film, affirmant que la liberté créative excessive de Bhansali a entraîné une représentation erronée de leurs ancêtres. Une pétition a été déposée auprès de la Haute Cour de Bombay pour demander une suspension du film, mais la Haute Cour a refusé d’intervenir dans sa sortie. Il a reçu un énorme accueil critique à travers le monde et a été classé parmi les meilleurs films de 2015 par plusieurs sources. Malgré la controverse, le film s’est imposé comme l’un des films indiens les plus rentables de tous les temps. Le film a reçu de nombreux éloges lors de diverses cérémonies de remise de prix en Inde. Lors de la 63e édition des National Film Awards, Bajirao Mastani a remporté sept prix et Bhansali a remporté le prix national du meilleur réalisateur. Le film a été présenté à la section Panorama indien 2016 du Festival international du film de l’Inde. Bajirao Mastani a été sélectionné comme entrée officielle de l’Inde pour le meilleur film en langue étrangère pour la 74e édition des Golden Globe Awards. L’année suivante, il produit le film marathi Laal Ishq.
Bhansali réalise le film dramatique d’époque Padmaavat, produit conjointement par lui et Viacom 18 Motion Pictures, et également écrit par lui. Le film met en vedette Deepika Padukone dans le rôle titre de Rani Padmini, aux côtés de Shahid Kapoor et Ranveer Singh dans les rôles titres de Rawal Ratan Singh et Alauddin Khalji respectivement. Pendant le tournage du film en janvier 2017 à Jaipur, les membres du Shri Rajput Karni Sena ont protesté sur les plateaux de tournage du Fort Jaigarh, ont attaqué physiquement Bhansali et les membres de son équipe, alléguant qu’il avait déformé des faits historiques et les avait représentés de manière erronée dans le film, et ont également tenté de vandaliser les plateaux. Le 6 mars 2017, des membres du Shri Rajput Karni Sena ont à nouveau vandalisé le Fort de Chittor et cassé les miroirs installés dans le palais de Rani Padmini. Le 15 mars 2017, un groupe de vandales non identifiés a de nouveau attaqué et mis le feu aux décors de ce film à Kolhapur, ce qui a conduit à brûler le plateau de production, les costumes et les bijoux. Le film a gagné 30 millions de dollars dans les quatre premiers jours après sa sortie.
En 2021, Bhansali arrive avec Gangubai Kathiawadi, un film biographique et policier basé sur un chapitre du livre Mafia Queens of Mumbai de Hussain Zaidi. Le film sur Gangubai Kothewali, met en vedette Alia Bhatt dans le rôle de Gangubai, et sa sortie est prévue pour le 30 juillet 2021.