Bhansali begann seine Karriere als Assistent von Vidhu Vinod Chopra und war an der Produktion von Parinda, 1942: A Love Story und Kareeb beteiligt. Allerdings kam es zum Zerwürfnis, als Bhansali sich weigerte, bei Kareeb Regie zu führen. 1996 gab er sein Regiedebüt mit Khamoshi: The Musical, der kommerziell erfolglosen, aber von der Kritik hochgelobten Erzählung über den Kampf einer Tochter um die Kommunikation mit ihren taubstummen Eltern. Der Film wurde bei der Filmfare mit dem Kritikerpreis für den besten Film ausgezeichnet. Mit Hum Dil De Chuke Sanam, einer Dreiecks-Liebesgeschichte mit Aishwarya Rai, Salman Khan und Ajay Devgan in den Hauptrollen, erlangte er im indischen Kino große Bekanntheit. Der Film wurde in der Sektion Indisches Panorama des Internationalen Filmfestivals von Indien 1999 uraufgeführt. Er war ein großer kommerzieller und kritischer Erfolg und gewann zahlreiche Preise, darunter vier National Awards und neun Filmfare Awards.
Sein nächster Film, Devdas, mit Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai und Madhuri Dixit in den Hauptrollen, war Bhansalis Ode an den gleichnamigen Roman und wurde zum umsatzstärksten Film des Jahres 2002. Der Film wurde auch von den Kritikern einhellig gelobt und gewann alle wichtigen Auszeichnungen bei Filmfare, so dass er zum meistausgezeichneten Film bei Filmfare wurde (gleichauf mit Dilwale Dulhania Le Jayenge von 1995). Bei den 50. Nationalen Filmpreisen erhielt der Film fünf Auszeichnungen, darunter den Preis für den besten populären Film, der für gute Unterhaltung sorgt. Bei den British Academy of Film & Television Awards (BAFTA) erhielt er eine Nominierung für den besten ausländischen Film. Er war die indische Einreichung für den Academy Award für den besten fremdsprachigen Film. Der Film wurde auch bei den Filmfestspielen von Cannes 2002 gezeigt. Er belegte den achten Platz in der Liste “The 10 Greatest Movies of the Millennium (So Far)” des Time Magazine. Sein nächster Film, Black, mit Amitabh Bachchan und Rani Mukerji in den Hauptrollen, brach seinen eigenen Rekord von Devdas, indem er elf Auszeichnungen erhielt, die höchste Anzahl von Auszeichnungen, die jemals an einen einzelnen Film bei Filmfare vergeben wurde. In der Liste der “10 besten Filme des Jahres 2005” von Time (Europe) belegte er unter den Filmen aus aller Welt den fünften Platz. Bei den 53. Nationalen Filmpreisen erhielt er seine zweite nationale Auszeichnung für den besten Spielfilm in Hindi. Hum Dil De Chuke Sanam, Devdas und Black brachten ihm mehrere Auszeichnungen für die beste Regie und den besten Film bei den Filmfare Awards ein, letzterer erhielt zusätzlich den Kritikerpreis für den besten Film. 2006 nahm Bhansali als Juror an der Reality-TV-Show Jhalak Dikhhla Jaa an der Seite von Farah Khan und Shilpa Shetty teil.
Bhansalis nächster Film Saawariya (veröffentlicht 2007) wurde scharf kritisiert und spielte an den Kinokassen wenig ein. Im Jahr 2008 inszenierte Bhansali die Oper Padmavati, eine Adaption des Balletts von Albert Roussel aus dem Jahr 1923. Das Stück wurde in Paris im renommierten Théâtre du Châtelet und anschließend beim Festival dei Due Mondi uraufgeführt, wo es “fünfzehn Minuten lang stehende Ovationen und sieben Vorhangrufe am Ende der ersten Vorstellung” gab. Bhansali erhielt viele positive Kommentare von internationalen Kritikern für sein Werk. Im Jahr 2010 veröffentlichte Bhansali Guzaarish mit Hrithik Roshan und Aishwarya Rai in den Hauptrollen, in dem er auch sein Debüt als Musikregisseur gab. Der Film erhielt von den Kritikern positive bis gemischte Kritiken, konnte sich aber an den Kinokassen nicht durchsetzen. Guzaarish brachte ihm eine Nominierung als Bester Regisseur bei Filmfare ein. 2011 wurde er Juror bei der indischen Musik-Talent-Show X Factor India Season 1. Im selben Jahr produzierte er auch die Musikkomödie My Friend Pinto, die ebenfalls gemischte Kritiken erhielt und an den Kinokassen floppte. Im Jahr 2012 produzierte Bhansali Rowdy Rathore, ein Remake des Telugu-Films Vikramarkudu mit Akshay Kumar und Sonakshi Sinha in den Hauptrollen und unter der Regie von Prabhu Deva. Der Film erhielt von den Kritikern gemischte Kritiken und wurde ein großer kommerzieller Erfolg, Box Office India bezeichnete ihn als Blockbuster. Im darauffolgenden Jahr produzierte er Shirin Farhad Ki Toh Nikal Padi, der ebenfalls gemischte Kritiken erhielt, aber an den Kinokassen nicht gut abschneiden konnte.
Im Jahr 2013 drehte Bhansali Goliyon Ki Raasleela Ram-Leela, eine Adaption von Shakespeares Romeo und Julia, mit Ranveer Singh und Deepika Padukone in den Hauptrollen. Einige religiöse Gruppen lehnten den Film mit der Begründung ab, der frühere Titel Ramleela sei irreführend, da der Film nichts mit dem Ramlila zu tun habe, der traditionellen Aufführung des Lebens und der Geschichte der Hindu-Gottheit Lord Rama. Die Freigabe des Films wurde vom Obersten Gericht in Delhi wegen der Kontroverse um den Titel ausgesetzt, da der Film die religiösen Gefühle der Hindus verletze. Später wurde der Titel des Films in Goliyon ki Rasleela Ram-Leela geändert und schließlich wie geplant in Indien veröffentlicht. Eine Woche nach dem Kinostart verbot das Gericht in Lucknow (Allahabad High Court) jedoch die Veröffentlichung des Films in Uttar Pradesh. Trotz der Kontroverse und des eingeschränkten Kinostarts wurde der Film von den Kritikern gelobt und spielte weltweit hohe Summen an den Kinokassen ein. Letztendlich spielte der Film 2,02 Milliarden Euro (31 Millionen US-Dollar) ein und wurde zum fünft erfolgreichsten Film des Jahres 2013. Der Film brachte Bhansali mehrere Preisnominierungen ein, darunter Nominierungen für den besten Film und die beste Regie bei der Filmfare. Im selben Jahr gab Bhansali sein Fernsehdebüt mit der Serie Saraswatichandra mit Gautam Rode und Jennifer Winget in den Hauptrollen, die er jedoch nach wenigen Episoden wieder verließ.
Im darauffolgenden Jahr produzierte er den biografischen Sportfilm Mary Kom mit Priyanka Chopra in der Hauptrolle, der auf dem Toronto International Film Festival 2014 seine Premiere feierte und damit der erste Hindi-Film war, der am Eröffnungsabend des Festivals gezeigt wurde. Der Film wurde sowohl ein kommerzieller als auch ein kritischer Erfolg und erhielt zahlreiche Auszeichnungen sowie eine Nominierung als bester Film bei den Filmfare Awards. Bei den 62. Nationalen Filmpreisen erhielt Bhansali für den Film einen weiteren Nationalen Preis für den besten populären Film, der gute Unterhaltung bietet. Im Jahr 2015 produzierte er das Action-Drama Gabbar Is Back mit Akshay Kumar in der Hauptrolle, das sich ebenfalls als kommerzieller Erfolg erwies und von den Kritikern positiv bewertet wurde. Bhansalis nächste Regiearbeit war sein Traumprojekt, die historische Romanze Bajirao Mastani (2015), die auf der Liebesgeschichte zwischen Peshwa Baji Rao I. und seiner zweiten Frau Mastani basiert. Ranveer Singh und Deepika Padukone spielten die Titelrollen, während Priyanka Chopra Bajiraos erste Frau Kashibai spielte. Der Film wurde 2003 angekündigt und machte immer wieder durch seine Besetzung von sich reden, zu der Schauspieler wie Salman Khan, Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai Bachchan, Kareena Kapoor und Rani Mukerji zählten. Die Nachkommen von Bajirao I. und Mastani brachten ihre Ablehnung des Films zum Ausdruck und behaupteten, Bhansali habe sich zu viele kreative Freiheiten herausgenommen und ihre Vorfahren falsch dargestellt. Es wurde eine Petition beim Bombay High Court eingereicht, um den Film zu stoppen, aber der High Court weigerte sich, die Veröffentlichung des Films zu behindern. Der Film wurde von den Kritikern weltweit sehr gelobt und von mehreren Quellen zu den besten Filmen des Jahres 2015 gezählt. Trotz der Kontroverse wurde der Film zu einem der umsatzstärksten indischen Filme aller Zeiten. Der Film wurde bei verschiedenen Preisverleihungen in Indien mit zahlreichen Auszeichnungen geehrt. Bei den 63. Nationalen Filmpreisen gewann Bajirao Mastani sieben Preise und Bhansali den Nationalen Preis für die beste Regie. Der Film wurde 2016 in der Sektion Indian Panorama des International Film Festival of India gezeigt. Bajirao Mastani wurde als Indiens offizieller Beitrag für den besten fremdsprachigen Film für die 74. Golden Globe Awards ausgewählt. Im darauffolgenden Jahr produzierte er den Marathi-Film Laal Ishq.
Bhansali führte Regie bei dem periodischen Drama Padmaavat, das von ihm und Viacom 18 Motion Pictures gemeinsam produziert und auch von ihm geschrieben wurde. Der Film zeigt Deepika Padukone in der Titelrolle als Rani Padmini, neben Shahid Kapoor und Ranveer Singh in den Rollen von Rawal Ratan Singh bzw. Alauddin Khalji. Während der Dreharbeiten zum Film im Januar 2017 in Jaipur protestierten die Mitglieder der Shri Rajput Karni Sena an den Drehorten im Jaigarh Fort, griffen Bhansali und seine Crew-Mitglieder körperlich an und behaupteten, er stelle historische Fakten falsch dar und habe sie im Film falsch wiedergegeben, und versuchten auch, die Drehorte zu verwüsten. Am 6. März 2017 verwüsteten Mitglieder der Shri Rajput Karni Sena erneut das Chittor Fort und zerbrachen die im Palast von Rani Padmini angebrachten Spiegel. Am 15. März 2017 griff eine Gruppe nicht identifizierter Vandalen erneut die Kulissen des Films in Kolhapur an und setzte sie in Brand, was dazu führte, dass die Kulissen, Kostüme und Schmuckstücke verbrannten. Der Film spielte in den ersten vier Tagen nach seiner Veröffentlichung 30 Millionen Dollar ein.
Im Jahr 2021 wird Bhansali mit Gangubai Kathiawadi einen biografischen Kriminalfilm drehen, der auf einem Kapitel von Hussain Zaidis Buch Mafia Queens of Mumbai basiert. Der Film über Gangubai Kothewali mit Alia Bhatt in der Hauptrolle als Gangubai soll am 30. Juli 2021 in die Kinos kommen.