Primogenito del poeta Attilio, figura fondamentale in tutta la sua vita, fratello di Giuseppe, autore e regista teatrale e cinematografico, cugino di Giovanni, produttore, quella dei Bertolucci è una vera famiglia di artisti. si iscrive, ma non termina l'università, alla facolta di lettere alla Sapienza di Roma, inizia la sua attività cinematografica come aiuto regista di Pasolini, dopo che, aveva girato due contrometraggi amatoriali. Sarà per molti anni il compagno dell'attrice Adriana Asti. Nel 1962 gira il suo primo lungometraggio, La commare secca, su soggetto e sceneggiatura di Pasolini. Prosegue la sua attività che avrà una svolta con lo scandalo (e il successo internazionale) suscitato in Italia da Ultimo tango a Parigi, film per cui subirà una condanna che verrà smentita solo nel 1987 con una definitiva assoluzione. Con L'ultimo imperatore girato nello stesso anno, conquista ben nove Oscar. Nel 1997 vince il Pardo d'onore al Festival di Locarno e nel 2007 ottiene il Leone d'Oro alla carriera alla Mostra di Venezia. Nel 2011 riceve la Palma d'Oro alla carriera al Festival di Cannes. Tra i suoi ultimi film ricordiamo The dreamers (2003) e Io e te (2012), adattamento cinematografico del romanzo omonimo di Ammaniti.