Bhansali inledde sin karriär som assistent till Vidhu Vinod Chopra och var inblandad i inspelningen av Parinda, 1942: A Love Story och Kareeb. De hade dock ett bråk när Bhansali vägrade att regissera Kareeb. År 1996 debuterade han som regissör med Khamoshi: The Musical, den kommersiellt misslyckade men kritikerrosade berättelsen om en dotters kamp för att kommunicera med sina dövstumma föräldrar. Filmen fick kritikernas pris för bästa film på Filmfare. Han blev känd inom den indiska filmen med en triangulär kärlekshistoria, Hum Dil De Chuke Sanam, med Aishwarya Rai, Salman Khan och Ajay Devgan i huvudrollerna, som etablerade hans individuella prägel för visuell prakt och för att skapa en aura av fest och festlighet. Filmen hade premiär i sektionen Indian Panorama på 1999 års internationella filmfestival i Indien. Den blev en stor kommersiell och kritisk framgång och vann många priser, bland annat fyra National Awards och nio Filmfare Awards.
Hans nästa film, Devdas, med Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai och Madhuri Dixit i huvudrollerna, var Bhansalis ode till romanen med samma namn, som blev den mest inkomstbringande filmen 2002. Filmen fick också enhälligt bifall av kritikerna och vann alla viktiga utmärkelser i Filmfare, och blev den mest prisbelönta filmen i Filmfare (tillsammans med Dilwale Dulhania Le Jayenge från 1995). Vid den 50:e National Film Awards vann den fem priser, bland annat för bästa populära film som ger hälsosam underhållning. Den fick en nominering för bästa utländska film vid British Academy of Film & Television Awards (BAFTA). Den var Indiens bidrag till Oscars för bästa film på främmande språk. Filmen visades även vid 2002 års filmfestival i Cannes. Den stod på åttonde plats i Time Magazines ”The 10 Greatest Movies of the Millennium (So Far)”. Hans nästa film, Black, med Amitabh Bachchan och Rani Mukerji i huvudrollerna, slog hans eget alltidsrekord från Devdas genom att få elva utmärkelser, det högsta antalet utmärkelser som någonsin givits till en enskild film på Filmfare. Den kom på femte plats i Time (Europe)’s ”10 Best Movies of the Year 2005” bland filmer från hela världen. Vid 53:e National Film Awards fick han sitt andra nationella pris för bästa långfilm på hindi. Hum Dil De Chuke Sanam, Devdas och Black gav honom flera utmärkelser för bästa regissör och bästa film på Filmfare, och den sistnämnda fick dessutom kritikernas pris för bästa film. År 2006 deltog Bhansali som domare i dokusåpan Jhalak Dikhhla Jaa tillsammans med Farah Khan och Shilpa Shetty.
Bhansalis nästa film Saawariya (släpptes 2007) möttes av skarp kritik och dåliga insamlingar vid kassan. År 2008 satte Bhansali upp operan Padmavati, en adaption av baletten från 1923 skriven av Albert Roussel. Föreställningen hade premiär i Paris på den prestigefyllda Théâtre du Châtelet och därefter på Festival dei Due Mondi, där den fick ”femton minuters stående ovationer och sju ridåutrop i slutet av den första föreställningen”. Bhansali fick många positiva kommentarer från internationella kritiker för sitt arbete. År 2010 släppte Bhansali Guzaarish med Hrithik Roshan och Aishwarya Rai i huvudrollerna, där han också debuterade som musikregissör. Filmen fick positiva till blandade recensioner från kritikerna, men kunde inte prestera bra på kassan. Guzaarish gav honom en nominering för bästa regissör på Filmfare. År 2011 blev han domare i den indiska musiktalangshowen X Factor India Season 1. Samma år producerade han också den musikaliska komedifilmen My Friend Pinto, som också fick blandade recensioner och gick dåligt i kassan. År 2012 producerade Bhansali Rowdy Rathore, en remake av Telugu-filmen Vikramarkudu, med Akshay Kumar och Sonakshi Sinha i huvudrollerna och regisserad av Prabhu Deva. Filmen fick blandade recensioner från kritikerna och blev en stor kommersiell framgång, Box Office India betecknade den som en blockbusterfilm. Året därpå producerade han Shirin Farhad Ki Toh Nikal Padi som också fick blandade recensioner, men som inte kunde prestera bra på box office.
2013 regisserade Bhansali Goliyon Ki Raasleela Ram-Leela, en adaption av Shakespeares Romeo och Julia, med Ranveer Singh och Deepika Padukone i huvudrollerna . Vissa religiösa grupper motsatte sig filmen och hävdade att den tidigare titeln Ramleela var vilseledande, eftersom filmen inte hade något att göra med Ramlila, den traditionella iscensättningen av livet och berättelsen om den hinduiska gudomen Lord Rama. Filmens premiär hade stoppats av Delhis högsta domstol på grund av kontroversen kring titeln, där man hävdade att filmen skadade hinduernas religiösa känslor. Senare ändrades filmens titel till Goliyon ki Rasleela Ram-Leela, och filmen släpptes så småningom i Indien som planerat. Efter en veckas premiär förbjöd dock Lucknow-bänken i Allahabad High Court att filmen skulle släppas i Uttar Pradesh. Trots kontroversen och den begränsade lanseringen öppnade filmen med kritikerros och starka kassasummor världen över och tjänade till slut ₹2,02 miljarder (31 miljoner US-dollar) och blev den femte mest inkomstbringande filmen 2013. Filmen gav Bhansali flera prisnomineringar, bland annat för bästa film och bästa regissör vid Filmfare. Samma år debuterade Bhansali i tv med serien Saraswatichandra, med Gautam Rode och Jennifer Winget i huvudrollerna, som han senare lämnade efter några avsnitt.
Året därpå producerade han den biografiska sportfilmen Mary Kom med Priyanka Chopra i huvudrollen, som hade premiär på Torontos internationella filmfestival 2014, och blev den första hindi-filmen som visades på festivalens premiärkväll. Filmen blev både en kommersiell och kritisk framgång och fick flera utmärkelser tillsammans med en nominering för bästa film vid Filmfare. Vid 62nd National Film Awards fick Bhansali ytterligare ett National Award för Best Popular Film Providing Wholesome Entertainment för filmen. År 2015 producerade han actiondramafilmen Gabbar Is Back med Akshay Kumar i huvudrollen, som också blev en kommersiell succé med positiva recensioner från kritikerna. Bhansalis nästa regissörssatsning var hans drömprojekt, periodromanen Bajirao Mastani (2015), baserad på kärlekshistorien mellan Peshwa Baji Rao I och hans andra hustru Mastani. Ranveer Singh och Deepika Padukone spelade titelrollerna, medan Priyanka Chopra spelade Bajiraos första hustru Kashibai. Filmen tillkännagavs 2003 och var ständigt aktuell när det gällde rollbesättningen med skådespelare som Salman Khan, Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai Bachchan, Kareena Kapoor och Rani Mukerji. Bajirao I:s och Mastanis ättlingar uttryckte sitt ogillande av filmen och hävdade att Bhansalis överdrivna kreativa frihet ledde till att deras förfäder porträtterades på ett felaktigt sätt. En framställning lämnades in till Bombay High Court för att få filmen stoppad, men High Court vägrade att ingripa mot filmens lansering. Filmen fick ett enormt kritikerros över hela världen och listades bland de bästa filmerna 2015 av flera källor. Trots kontroverserna blev filmen en av de mest inkomstbringande indiska filmerna genom tiderna. Filmen fick många utmärkelser vid olika prisceremonier i Indien. Vid den 63:e National Film Awards vann Bajirao Mastani sju priser och Bhansali vann National Award för bästa regissör. Filmen visades i sektionen Indian Panorama 2016 på International Film Festival of India. Bajirao Mastani valdes ut som Indiens officiella bidrag till bästa film på främmande språk vid den 74:e Golden Globe Awards. Året därpå producerade han Marathifilmen Laal Ishq.
Bhansali regisserade den periodiska dramafilmen Padmaavat, som producerades gemensamt av honom och Viacom 18 Motion Pictures, och som också är skriven av honom. I filmen spelar Deepika Padukone titelrollen som Rani Padmini, tillsammans med Shahid Kapoor och Ranveer Singh i titelrollerna som Rawal Ratan Singh respektive Alauddin Khalji. Under inspelningen av filmen i januari 2017 i Jaipur protesterade medlemmarna i Shri Rajput Karni Sena vid inspelningsplatserna vid Jaigarhfortet, attackerade Bhansali och hans besättningsmedlemmar fysiskt och hävdade att han förvrängde historiska fakta och skildrade dem felaktigt i filmen och försökte även vandalisera inspelningsplatserna. Den 6 mars 2017 vandaliserade medlemmar av Shri Rajput Karni Sena återigen Chittor Fort och slog sönder de speglar som installerats i Rani Padminis palats. Den 15 mars 2017 attackerade en grupp oidentifierade vandaler återigen och satte eld på inspelningsplatserna för denna film i Kolhapur, vilket ledde till att produktionsuppsättningen, kostymer och smycken brändes. Filmen tjänade 30 miljoner dollar under de första fyra dagarna efter premiären.
2021 kommer Bhansali med Gangubai Kathiawadi, en biografisk, kriminalfilm baserad på ett kapitel i Hussain Zaidis bok Mafia Queens of Mumbai. Filmen om Gangubai Kothewali, med Alia Bhatt i huvudrollen som Gangubai, har planerad premiär den 30 juli 2021.