Bhansali começou sua carreira como assistente de Vidhu Vinod Chopra e esteve envolvido na fabricação de Parinda, 1942: Uma História de Amor e Kareeb. No entanto, eles tiveram um desentendimento quando Bhansali se recusou a dirigir Kareeb. Em 1996, ele fez sua estréia como diretor com Khamoshi: The Musical, a narração comercialmente mal sucedida, mas aclamada pela crítica, da luta de uma filha para se comunicar com seus pais surdos-mudos. O filme ganhou o Prêmio da Crítica de Melhor Filme na Filmfare. Ele ganhou destaque no cinema indiano com uma história de amor triangular, Hum Dil De Chuke Sanam, estrelado por Aishwarya Rai, Salman Khan e Ajay Devgan, que estabeleceu seu selo individualista de esplendor visual e criou auras de celebração e festividade. O filme foi estreado na seção Panorama Indiano no Festival Internacional de Cinema da Índia de 1999. Foi um grande sucesso comercial e crítico, e ganhou inúmeros prêmios, incluindo quatro Prêmios Nacionais e nove Prêmios Filmfare.
Seu próximo filme, Devdas, estrelado por Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai e Madhuri Dixit, foi a ode de Bhansali ao romance de mesmo nome, que se tornou o filme de maior bilheteria de 2002. O filme também recebeu aclamação unânime da crítica e ganhou todos os grandes elogios da Filmfare, surgindo como o filme mais premiado da Filmfare, (empatado com o Dilwale Dulhania Le Jayenge de 1995). No 50º National Film Awards, ganhou cinco prêmios, incluindo o de Melhor Filme Popular de Entretenimento Atacadista. Recebeu uma nomeação para o Melhor Filme Estrangeiro na Academia Britânica de Cinema & Prêmios de Televisão (BAFTA). Foi a submissão da Índia para o Oscar de Melhor Filme Estrangeiro. O filme também foi exibido no Festival de Cinema de Cannes 2002. Ficou em oitavo lugar na revista Time “The 10 Greatest Movies of the Millennium (Thus Far)”. Seu próximo filme, Black, estrelado por Amitabh Bachchan e Rani Mukerji, quebrou seu próprio recorde de Devdas ao ganhar onze prêmios, o maior número já dado a um único filme na Filmfare. Ficou em quinto lugar no “10 Melhores Filmes do Ano 2005” da Time (Europa) entre filmes de todo o mundo. No 53º National Film Awards, recebeu seu segundo prêmio nacional de Melhor Longa Metragem em Hindi. Hum Dil De Chuke Sanam, Devdas e Black lhe rendeu vários prêmios de Melhor Diretor e Melhor Filme na Filmfare, este último também recebeu um prêmio adicional da crítica para Melhor Filme. Em 2006, Bhansali participou como juiz do reality show Jhalak Dikhhla Jaa ao lado de Farah Khan e Shilpa Shetty.
O próximo filme de Bhansali, Saawariya (lançado em 2007), foi recebido com duras críticas e coleções fracas nas bilheterias. Em 2008, Bhansali encenou a ópera Padmavati, uma adaptação do balé de 1923 escrito por Albert Roussel. O espetáculo estreou em Paris no prestigioso Théâtre du Châtelet e em seguida no Festival dei Due Mondi, onde recebeu “quinze minutos de ovação de pé e sete chamadas de cortina no final do primeiro espetáculo”. Bhansali recebeu muitos comentários positivos da crítica internacional por seu trabalho. Em 2010, Bhansali lançou Guzaarish, estrelado por Hrithik Roshan e Aishwarya Rai, no qual ele também fez sua estréia na direção musical. O filme recebeu críticas positivas a críticas mistas, mas não conseguiu se apresentar bem nas bilheterias. Guzaarish lhe rendeu uma indicação ao prêmio de melhor diretor na Filmfare. Em 2011, tornou-se juiz do programa de talentos musicais indiano X Factor India Season 1. No mesmo ano, também produziu o filme de comédia musical My Friend Pinto, que também recebeu críticas mistas e se afundou nas bilheterias. Em 2012, Bhansali produziu Rowdy Rathore, um remake do filme Telugu Vikramarkudu, estrelado por Akshay Kumar e Sonakshi Sinha e dirigido por Prabhu Deva. O filme recebeu críticas mistas da crítica e se tornou um grande sucesso comercial, o Box Office India o rotulou como um filme blockbuster. No ano seguinte, produziu Shirin Farhad Ki Toh Nikal Padi, que também recebeu críticas mistas, mas não conseguiu se apresentar bem nas bilheterias.
Em 2013, Bhansali dirigiu Goliyon Ki Raasleela Ram-Leela, uma adaptação de Romeu e Julieta de Shakespeare, estrelando Ranveer Singh e Deepika Padukone . Alguns grupos religiosos se opuseram ao filme alegando que o antigo título Ramleela era enganoso, pois o filme nada tinha a ver com Ramlila, a encenação tradicional da vida e história da divindade hindu, Lord Rama. O lançamento do filme foi suspenso pelo Tribunal Superior de Deli devido à controvérsia sobre o seu título, alegando que o filme feriu os sentimentos religiosos dos hindus. Mais tarde, o título do filme foi alterado para Goliyon ki Rasleela Ram-Leela, e acabou sendo lançado na Índia, conforme previsto. Entretanto, após uma semana de lançamento, o banco Lucknow do Tribunal Superior de Allahabad proibiu o lançamento do filme em Uttar Pradesh. Apesar da controvérsia e do lançamento limitado, o filme abriu para aclamação da crítica e fortes coleções de bilheteria em todo o mundo, ganhando no final ₹2.02 bilhões (US$ 31 milhões) e surgindo como o quinto filme com maior bilheteria de 2013. O filme recebeu várias indicações a prêmios para Bhansali, incluindo as de Melhor Filme e Melhor Diretor na Filmfare. No mesmo ano, Bhansali estreou na televisão com o programa Saraswatichandra, estrelado por Gautam Rode e Jennifer Winget, que ele deixou depois de alguns episódios.
No ano seguinte, ele produziu o filme esportivo biográfico Mary Kom estrelado por Priyanka Chopra, que estreou no Festival Internacional de Cinema de Toronto 2014, tornando-se o primeiro filme hindi a ser exibido na noite de abertura do festival. O filme tornou-se um sucesso comercial e crítico e recebeu vários elogios juntamente com a nomeação para Melhor Filme na Filmfare. No 62º National Film Awards, Bhansali recebeu outro Prêmio Nacional de Melhor Filme Popular que Proporciona Entretenimento Atacadista pelo filme. Em 2015, ele produziu o drama de ação Gabbar Is Back, estrelado por Akshay Kumar, que também surgiu como um sucesso comercial com críticas positivas da crítica. O próximo empreendimento de Bhansali na direção foi seu projeto de sonho, o romance do período Bajirao Mastani (2015), baseado na história de amor entre Peshwa Baji Rao I e sua segunda esposa Mastani. Ranveer Singh e Deepika Padukone desempenharam os papéis do título, enquanto Priyanka Chopra interpretou a primeira esposa de Bajirao, Kashibai. O filme foi anunciado em 2003 e esteve constantemente nas notícias sobre o elenco, incluindo atores como Salman Khan, Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai Bachchan, Kareena Kapoor e Rani Mukerji. Os descendentes de Bajirao I e Mastani expressaram sua desaprovação a este filme, alegando excessiva liberdade criativa por parte de Bhansali, causando um retrato errado de seus ancestrais. Uma petição foi apresentada no Supremo Tribunal de Bombaim em busca de uma permanência no filme, mas o Supremo Tribunal recusou-se a interferir no seu lançamento. O filme recebeu enorme aclamação da crítica em todo o mundo e foi listado entre os melhores filmes de 2015 por diversas fontes. Apesar da controvérsia, o filme emergiu como um dos filmes indianos mais grandiosos de todos os tempos. O filme recebeu muitos elogios em várias cerimônias de premiação na Índia. No 63º Prêmio Nacional de Cinema, Bajirao Mastani ganhou sete prêmios e Bhansali ganhou o Prêmio Nacional de Melhor Diretor. O filme foi exibido na seção Panorama Indiano de 2016 do Festival Internacional de Cinema da Índia. Bajirao Mastani foi selecionado como o filme oficial da Índia para o Melhor Filme em Língua Estrangeira para o 74º Golden Globe Awards. No ano seguinte, ele produziu o filme Marathi Laal Ishq.
Bhansali realizou o drama Padmaavat, produzido conjuntamente por ele e Viacom 18 Motion Pictures, e também escrito por ele. O filme apresenta Deepika Padukone no papel de Rani Padmini, ao lado de Shahid Kapoor e Ranveer Singh no papel de Rawal Ratan Singh e Alauddin Khalji, respectivamente. Durante as filmagens do filme em janeiro de 2017 em Jaipur, os membros de Shri Rajput Karni Sena protestaram nos sets do Forte Jaigarh, atacaram fisicamente Bhansali e seus membros da equipe, alegando que ele deturpou fatos históricos e os retratou erroneamente no filme, além de tentar vandalizar os sets. Em 6 de março de 2017, membros de Shri Rajput Karni Sena vandalizaram novamente o Forte de Chittor e quebraram os espelhos instalados no palácio de Rani Padmini. Em 15 de Março de 2017, um grupo de vândalos não identificados voltou a atacar e incendiar os cenários deste filme em Kolhapur, o que levou à queima dos cenários de produção, fatos e jóias. O filme ganhou 30 milhões de dólares nos primeiros quatro dias após o seu lançamento.
Em 2021, Bhansali está chegando com Gangubai Kathiawadi, um filme biográfico de crime baseado em um capítulo do livro de Hussain Zaidi, Mafia Queens of Mumbai. O filme sobre Gangubai Kothewali, estrela Alia Bhatt como Gangubai, e tem lançamento previsto para 30 de julho de 2021.