Bhansali begyndte sin karriere som assistent for Vidhu Vinod Chopra og var med til at lave Parinda, 1942: A Love Story og Kareeb. De havde dog et skænderi, da Bhansali nægtede at instruere Kareeb. I 1996 debuterede han som instruktør med Khamoshi: The Musical, den kommercielt mislykkede, men kritikerroste fortælling om en datters kamp for at kommunikere med sine døvstumme forældre. Filmen vandt Kritikerprisen for bedste film ved Filmfare. Han blev kendt i den indiske biograf med en trekantet kærlighedshistorie, Hum Dil De Chuke Sanam, med Aishwarya Rai, Salman Khan og Ajay Devgan i hovedrollerne, som etablerede hans individuelle præg for visuel pragt og for at skabe en aura af fest og festlighed. Filmen havde premiere i sektionen Indian Panorama på den internationale filmfestival i Indien i 1999. Den blev en stor kommerciel og kritisk succes og vandt adskillige priser, herunder fire National Awards og ni Filmfare Awards.
Hans næste film, Devdas, med Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai og Madhuri Dixit i hovedrollerne, var Bhansalis ode til romanen af samme navn, som blev den mest indtjenende film i 2002. Filmen fik også enstemmig anerkendelse fra kritikerne og vandt alle de store priser i Filmfare, og blev den mest prisbelønnede film i Filmfare (sammen med Dilwale Dulhania Le Jayenge fra 1995). Ved den 50. nationale filmprisuddeling vandt den fem priser, herunder prisen for bedste populære film, der giver sund underholdning. Den blev nomineret til prisen for bedste udenlandske film ved British Academy of Film & Television Awards (BAFTA). Den var Indiens bidrag til Oscar-prisen for bedste udenlandske film på fremmedsprog. Filmen blev også vist på filmfestivalen i Cannes i 2002. Den lå på ottendepladsen i Time Magazine’s “The 10 Greatest Movies of the Millennium (So Far)”. Hans næste film, Black, med Amitabh Bachchan og Rani Mukerji i hovedrollerne, slog hans egen rekord fra Devdas ved at modtage 11 priser, hvilket er det højeste antal priser, der nogensinde er blevet givet til en enkelt film i Filmfare. Den lå på femtepladsen i Time (Europe)’s “10 Best Movies of the Year 2005” blandt film fra hele verden. Ved 53rd National Film Awards modtog han sin anden nationale pris for bedste spillefilm på hindi. Hum Dil De Chuke Sanam, Devdas og Black indbragte ham flere priser for bedste instruktør og bedste film ved Filmfare, og sidstnævnte modtog også en ekstra kritikerpris for bedste film. I 2006 deltog Bhansali som dommer i reality-tv-showet Jhalak Dikhhla Jaa sammen med Farah Khan og Shilpa Shetty.
Bhansalis næste film Saawariya (udgivet i 2007) blev mødt med skarp kritik og dårlige indtjeninger ved billetlugerne. I 2008 iscenesatte Bhansali operaen Padmavati, en bearbejdning af balletten fra 1923 skrevet af Albert Roussel. Forestillingen havde premiere i Paris på det prestigefyldte Théâtre du Châtelet og derefter på Festival dei Due Mondi, hvor den fik “femten minutters stående bifald og syv tæppeopråb ved slutningen af den første forestilling”. Bhansali modtog mange positive kommentarer fra internationale kritikere for sit værk. I 2010 udgav Bhansali Guzaarish med Hrithik Roshan og Aishwarya Rai i hovedrollerne, hvor han også debuterede som musikinstruktør. Filmen fik positive til blandede anmeldelser fra kritikerne, men kunne ikke klare sig godt i biografen. Guzaarish indbragte ham en nominering som bedste instruktør ved Filmfare. I 2011 blev han dommer i det indiske musiktalentshow X Factor India Season 1. Samme år producerede han også den musikalske komediefilm My Friend Pinto, som også fik blandede anmeldelser og gik dårligt i biografen. I 2012 producerede Bhansali Rowdy Rathore, en genindspilning af den telugu-film Vikramarkudu med Akshay Kumar og Sonakshi Sinha i hovedrollerne og instrueret af Prabhu Deva. Filmen modtog blandede anmeldelser fra kritikerne og blev en stor kommerciel succes, Box Office India stemplede den som en blockbuster-film. Året efter producerede han Shirin Farhad Ki Toh Nikal Padi, som også fik blandede anmeldelser, men som ikke kunne klare sig godt i biografen.
I 2013 instruerede Bhansali Goliyon Ki Raasleela Ram-Leela, en filmatisering af Shakespeares Romeo og Julie, med Ranveer Singh og Deepika Padukone i hovedrollerne . Nogle religiøse grupper var imod filmen og hævdede, at den tidligere titel Ramleela var vildledende, fordi filmen ikke havde noget at gøre med Ramlila, den traditionelle opførelse af livet og historien om hinduernes guddom, Lord Rama. Filmens premiere var blevet suspenderet af Delhi High Court på grund af kontroversen om titlen, idet man hævdede, at filmen krænkede hinduernes religiøse følelser. Senere blev filmens titel ændret til Goliyon ki Rasleela Ram-Leela, og den fik endelig premiere i Indien som planlagt. Men efter en uges udgivelse forbød Lucknow-domstolen ved Allahabad High Court filmens udgivelse i Uttar Pradesh. På trods af kontroversen og den begrænsede udgivelse åbnede filmen med kritikerroser og stærke kasseindtægter på verdensplan og indtjente i sidste ende ₹2,02 milliarder ₹ (31 millioner USD) og blev den femte mest indtjenende film i 2013. Filmen indbragte Bhansali flere prisnomineringer, herunder nomineringer for bedste film og bedste instruktør ved Filmfare. Samme år debuterede Bhansali på tv med serien Saraswatichandra med Gautam Rode og Jennifer Winget i hovedrollerne, som han senere forlod efter få afsnit.
Det følgende år producerede han den biografiske sportsfilm Mary Kom med Priyanka Chopra i hovedrollen, som havde premiere på Toronto International Film Festival 2014 og blev den første hindi-film, der blev vist på festivalens åbningsaften. Filmen blev både en kommerciel og kritisk succes og modtog adskillige anerkendelser sammen med en nominering som bedste film ved Filmfare. Ved 62nd National Film Awards modtog Bhansali endnu en National Award for Best Popular Film Providing Wholesome Entertainment for filmen. I 2015 producerede han actiondramafilmen Gabbar Is Back med Akshay Kumar i hovedrollen, som også blev en kommerciel succes og fik positive anmeldelser fra kritikerne. Bhansalis næste instruktørprojekt var hans drømmeprojekt, den historiske romance Bajirao Mastani (2015), der er baseret på kærlighedshistorien mellem Peshwa Baji Rao I og hans anden hustru Mastani. Ranveer Singh og Deepika Padukone spillede titelrollerne, mens Priyanka Chopra spillede Bajiraos første kone Kashibai. Filmen blev annonceret i 2003 og var konstant i nyhederne med hensyn til skuespillerne, der bl.a. omfattede skuespillere som Salman Khan, Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai Bachchan, Kareena Kapoor og Rani Mukerji. Bajirao I’s og Mastanis efterkommere udtrykte deres misbilligelse af denne film og hævdede, at Bhansali havde overdreven kreativ frihed, hvilket havde medført en uretfærdig fremstilling af deres forfædre. Der blev indgivet et andragende til Bombay High Court med henblik på at få filmen suspenderet, men High Court nægtede at gribe ind over for filmens udgivelse. Filmen modtog en enorm kritikerroser over hele verden og blev af flere kilder opført på listen over de bedste film i 2015. På trods af kontroverserne blev filmen en af de mest indiske film med størst indtjening gennem tiderne. Filmen modtog mange anerkendelser ved forskellige prisceremonier i Indien. Ved den 63. National Film Awards vandt Bajirao Mastani syv priser, og Bhansali vandt den nationale pris for bedste instruktør. Filmen blev præsenteret i 2016 i sektionen Indian Panorama på International Film Festival of India. Bajirao Mastani blev udvalgt som Indiens officielle bidrag til den bedste udenlandske film til den 74. Golden Globe Awards. Året efter producerede han Marathi-filmen Laal Ishq.
Bhansali instruerede periodedramafilmen Padmaavat, der er produceret i fællesskab af ham og Viacom 18 Motion Pictures, og som også er skrevet af ham. I filmen ses Deepika Padukone i titelrollen som Rani Padmini sammen med Shahid Kapoor og Ranveer Singh i titelrollerne som henholdsvis Rawal Ratan Singh og Alauddin Khalji. Under optagelserne til filmen i januar 2017 i Jaipur protesterede medlemmerne af Shri Rajput Karni Sena ved kulisserne ved Jaigarh Fort, angreb Bhansali og hans besætningsmedlemmer fysisk og hævdede, at han fordrejede historiske fakta og skildrede dem forkert i filmen, og forsøgte også at vandalisere kulisserne. Den 6. marts 2017 vandaliserede medlemmer af Shri Rajput Karni Sena igen Chittor Fortet og ødelagde de spejle, der var installeret i Rani Padminis palads. Den 15. marts 2017 angreb en gruppe uidentificerede vandaler igen kulisserne til denne film i Kolhapur og satte ild til dem, hvilket førte til, at produktionssættet, kostumer og smykker blev brændt ned. Filmen indtjente 30 millioner dollars på de første fire dage efter sin premiere.
I 2021 kommer Bhansali med Gangubai Kathiawadi, en biografisk, kriminalfilm baseret på et kapitel af Hussain Zaidis bog Mafia Queens of Mumbai. Filmen om Gangubai Kothewali, har Alia Bhatt i hovedrollen som Gangubai, og har planlagt premiere den 30. juli 2021.