Bhansali begon zijn carrière als assistent van Vidhu Vinod Chopra en was betrokken bij de totstandkoming van Parinda, 1942: A Love Story en Kareeb. Ze kregen echter ruzie toen Bhansali weigerde Kareeb te regisseren. In 1996 maakte hij zijn regiedebuut met Khamoshi: The Musical, de commercieel onsuccesvolle maar veelgeprezen vertelling over de strijd van een dochter om te communiceren met haar doofstomme ouders. De film werd bekroond met de Critics Award voor Beste Film bij Filmfare. Hij werd bekend in de Indiase cinema met Hum Dil De Chuke Sanam, een driehoeksverhouding met Aishwarya Rai, Salman Khan en Ajay Devgan in de hoofdrollen, waarmee hij zijn eigen stempel drukte op de visuele pracht en het creëren van een feestelijke sfeer. De film ging in première in de Indiase Panorama sectie op het Internationale Film Festival van India in 1999. De film was een groot commercieel en kritisch succes en won talloze prijzen, waaronder vier National Awards en negen Filmfare Awards.
Zijn volgende film, Devdas, met in de hoofdrollen Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai en Madhuri Dixit, was Bhansali’s ode aan de gelijknamige roman, die de best verdienende film van 2002 werd. De film kreeg ook unanieme bijval van de critici en won alle belangrijke onderscheidingen bij Filmfare, en werd de meest bekroonde film bij Filmfare, (samen met Dilwale Dulhania Le Jayenge uit 1995). Bij de 50e National Film Awards won de film vijf prijzen, waaronder die voor Beste Populaire Film die Gezond Vermaak biedt. De film werd genomineerd voor de Beste Buitenlandse Film bij de British Academy of Film & Television Awards (BAFTA). Het was India’s inzending voor de Academy Award voor Beste Buitenlandse Film. De film werd ook vertoond op het filmfestival van Cannes in 2002. Hij stond op de achtste plaats in Time magazine’s “The 10 Greatest Movies of the Millennium (So Far)”. Zijn volgende film, Black, met Amitabh Bachchan en Rani Mukerji in de hoofdrollen, brak zijn eigen record van Devdas door elf prijzen in de wacht te slepen, het hoogste aantal prijzen dat ooit aan één enkele film werd toegekend bij Filmfare. De film stond vijfde in Time (Europa)’s “10 Best Movies of the Year 2005” onder films uit de hele wereld. Op de 53e National Film Awards ontving hij zijn tweede National Award voor Beste Speelfilm in Hindi. Hum Dil De Chuke Sanam, Devdas en Black leverden hem meerdere Best Director en Best Film Awards op bij Filmfare, de laatste kreeg ook nog een Critics Award voor Beste Film. In 2006 nam Bhansali deel als jurylid aan de reality TV show Jhalak Dikhhla Jaa naast Farah Khan en Shilpa Shetty.
Bhansali’s volgende film Saawariya (uitgebracht in 2007) werd met scherpe kritiek en slechte collecties aan de kassa ontvangen. In 2008 ensceneerde Bhansali de opera Padmavati, een bewerking van het ballet uit 1923 geschreven door Albert Roussel. De voorstelling ging in première in Parijs in het prestigieuze Théâtre du Châtelet en vervolgens op het Festival dei Due Mondi, waar ze “vijftien minuten lang een staande ovatie en zeven gordijnkreten aan het einde van de eerste voorstelling” kreeg. Bhansali kreeg veel positieve commentaren van internationale critici voor zijn werk. In 2010 bracht Bhansali Guzaarish uit, met in de hoofdrollen Hrithik Roshan en Aishwarya Rai, waarin hij ook zijn debuut maakte in de muziekregie. De film kreeg positieve tot gemengde kritieken van critici, maar kon niet goed presteren aan de kassa. Guzaarish leverde hem een nominatie op voor Beste Regisseur bij Filmfare. In 2011 werd hij jurylid in de Indiase muziektalkshow X Factor India Season 1. In datzelfde jaar produceerde hij ook de muzikale komedie My Friend Pinto, die gemengde kritieken kreeg en een flop werd aan de kassa. In 2012 produceerde Bhansali Rowdy Rathore, een remake van de Telugu-film Vikramarkudu, met in de hoofdrollen Akshay Kumar en Sonakshi Sinha en geregisseerd door Prabhu Deva. De film kreeg gemengde kritieken van critici en werd een groot commercieel succes, Box Office India bestempelde het als een blockbuster film. Het jaar daarop produceerde hij Shirin Farhad Ki Toh Nikal Padi, die ook gemengde kritieken kreeg, maar niet goed kon presteren aan de kassa.
In 2013 regisseerde Bhansali Goliyon Ki Raasleela Ram-Leela, een bewerking van Shakespeare’s Romeo en Julia, met in de hoofdrollen Ranveer Singh en Deepika Padukone . Sommige religieuze groeperingen verzetten zich tegen de film met het argument dat de vroegere titel Ramleela misleidend was, omdat de film niets te maken had met Ramlila, de traditionele opvoering van het leven en het verhaal van de hindoegodheid, Heer Rama. Het Delhi High Court had de release van de film opgeschort wegens de controverse over de titel, omdat de film de religieuze gevoelens van de Hindoes zou kwetsen. Later werd de titel van de film veranderd in Goliyon ki Rasleela Ram-Leela, en uiteindelijk zoals gepland in India uitgebracht. Na een week verbood het Hooggerechtshof van Allahabad in Lucknow echter de release van de film in Uttar Pradesh. Ondanks de controverse en de beperkte release, opende de film met lovende kritieken en sterke box office collecties wereldwijd. Uiteindelijk leverde de film ₹2,02 miljard (US$31 miljoen) op en werd het de vijfde best verdienende film van 2013. De film leverde Bhansali verschillende prijsnominaties op, waaronder die voor Beste Film en Beste Regisseur bij Filmfare. Hetzelfde jaar debuteerde Bhansali op televisie met de show Saraswatichandra, met in de hoofdrollen Gautam Rode en Jennifer Winget, die hij later na enkele afleveringen verliet.
Het jaar daarop produceerde hij de biografische sportfilm Mary Kom met in de hoofdrol Priyanka Chopra, die in première ging op het Toronto International Film Festival van 2014 en de eerste Hindi film werd die op de openingsavond van het festival werd vertoond. De film werd zowel een commercieel als kritisch succes en ontving diverse lofbetuigingen, samen met een nominatie voor Beste Film bij Filmfare. Bij de 62e National Film Awards ontving Bhansali voor de film nog een National Award voor Best Popular Film Providing Wholesome Entertainment. In 2015 produceerde hij de actiedramafilm Gabbar Is Back met Akshay Kumar in de hoofdrol, die ook een commercieel succes werd met positieve kritieken van de critici. Bhansali’s volgende regiewaag was zijn droomproject, de perioderoman Bajirao Mastani (2015), gebaseerd op het liefdesverhaal tussen Peshwa Baji Rao I en zijn tweede vrouw Mastani. Ranveer Singh en Deepika Padukone speelden de titelrollen, terwijl Priyanka Chopra Bajirao’s eerste vrouw Kashibai speelde. De film werd aangekondigd in 2003 en was voortdurend in het nieuws vanwege de cast, waaronder acteurs als Salman Khan, Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai Bachchan, Kareena Kapoor en Rani Mukerji. De afstammelingen van Bajirao I en Mastani spraken hun afkeuring uit over deze film, omdat Bhansali een te grote creatieve vrijheid zou hebben en hun voorouders onrechtmatig zouden hebben geportretteerd. Er werd een petitie ingediend bij het Hooggerechtshof van Bombay om de film tegen te houden, maar het Hooggerechtshof weigerde in te grijpen in de release van de film. De film kreeg over de hele wereld lovende kritieken en werd door verschillende bronnen gerekend tot de beste films van 2015. Ondanks de controverse is de film uitgegroeid tot een van de best verdienende Indiase films aller tijden. De film kreeg veel lofbetuigingen bij verschillende prijsuitreikingen in India. Bij de 63e National Film Awards won Bajirao Mastani zeven prijzen en Bhansali won de National Award voor Beste Regisseur. De film was te zien op de 2016 Indian Panorama sectie van het International Film Festival of India. Bajirao Mastani werd geselecteerd als de officiële inzending van India voor de Beste Buitenlandse Taalfilm voor de 74e Golden Globe Awards. Het jaar daarop produceerde hij de Marathi-film Laal Ishq.
Bhansali regisseerde period drama film Padmaavat, gezamenlijk geproduceerd door hem en Viacom 18 Motion Pictures, en ook door hem geschreven. De film heeft Deepika Padukone in de titelrol als Rani Padmini, naast Shahid Kapoor en Ranveer Singh in de titelrollen van respectievelijk Rawal Ratan Singh en Alauddin Khalji. Tijdens de opnames van de film in januari 2017 in Jaipur protesteerden de leden van Shri Rajput Karni Sena bij de sets in Jaigarh Fort, vielen Bhansali en zijn crewleden fysiek aan, omdat hij historische feiten verkeerd zou hebben weergegeven en in de film onjuist zou hebben weergegeven, en probeerden ook de sets te vernielen. Op 6 maart 2017 hebben leden van Shri Rajput Karni Sena het Chittor Fort opnieuw vernield en de spiegels gebroken die in het paleis van Rani Padmini waren geïnstalleerd. Op 15 maart 2017 heeft een groep ongeïdentificeerde vandalen opnieuw de sets van deze film in Kolhapur aangevallen en in brand gestoken, waardoor de productieset, kostuums en juwelen in vlammen zijn opgegaan. De film verdiende 30 miljoen dollar in de eerste vier dagen na de release.
In 2021 komt Bhansali met Gangubai Kathiawadi, een biografische, misdaadfilm gebaseerd op een hoofdstuk uit Hussain Zaidi’s boek Mafia Queens of Mumbai. De film over Gangubai Kothewali, met Alia Bhatt in de hoofdrol als Gangubai, staat gepland voor een release op 30 juli 2021.