Bhansali comenzó su carrera como asistente de Vidhu Vinod Chopra y participó en la realización de Parinda, 1942: Una historia de amor y Kareeb. Sin embargo, tuvieron un desencuentro cuando Bhansali se negó a dirigir Kareeb. En 1996, debutó como director con Khamoshi: The Musical, la narración, sin éxito comercial pero aclamada por la crítica, de la lucha de una hija por comunicarse con sus padres sordomudos. La película obtuvo el Premio de la Crítica a la mejor película en Filmfare. Saltó a la fama en el cine indio con una historia de amor triangular, Hum Dil De Chuke Sanam, protagonizada por Aishwarya Rai, Salman Khan y Ajay Devgan, que estableció su sello individualista para el esplendor visual y la creación de auras de celebración y festividad. La película se estrenó en la sección Panorama de la India en el Festival Internacional de Cine de la India de 1999. Fue un gran éxito comercial y de crítica, y ganó numerosos premios, entre ellos cuatro Premios Nacionales y nueve Premios Filmfare.
Su siguiente película, Devdas, protagonizada por Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai y Madhuri Dixit, fue la oda de Bhansali a la novela del mismo nombre, que se convirtió en la película más taquillera de 2002. La película también recibió el aplauso unánime de la crítica y ganó todos los premios importantes en Filmfare, convirtiéndose en la película más premiada en Filmfare, (empatada con la de 1995 Dilwale Dulhania Le Jayenge). En la 50ª edición de los National Film Awards, ganó cinco premios, entre ellos el de Mejor Película Popular que Proporciona Entretenimiento Sano. Recibió una nominación a la mejor película extranjera en los premios de la Academia Británica de Cine y Televisión (BAFTA). Fue la propuesta de la India para el Premio de la Academia a la Mejor Película en Lengua Extranjera. La película también se proyectó en el Festival de Cannes de 2002. Ocupó el octavo lugar en la lista de la revista Time de “Las 10 mejores películas del milenio (hasta ahora)”. Su siguiente película, Black, protagonizada por Amitabh Bachchan y Rani Mukerji, batió su propio récord histórico de Devdas al obtener once premios, el mayor número de galardones jamás concedido a una sola película en Filmfare. Quedó en quinto lugar en la lista de las “10 mejores películas del año 2005” de Time (Europa) entre las películas de todo el mundo. En la 53ª edición de los National Film Awards, recibió su segundo premio nacional al mejor largometraje en hindi. Hum Dil De Chuke Sanam, Devdas y Black le valieron múltiples premios al Mejor Director y a la Mejor Película en los Filmfare; esta última recibió además el Premio de la Crítica a la Mejor Película. En 2006, Bhansali participó como juez en el programa de telerrealidad Jhalak Dikhhla Jaa junto a Farah Khan y Shilpa Shetty.
La siguiente película de Bhansali, Saawariya (estrenada en 2007), fue recibida con duras críticas y escasa recaudación en taquilla. En 2008, Bhansali puso en escena la ópera Padmavati, una adaptación del ballet de 1923 escrito por Albert Roussel. El espectáculo se estrenó en París en el prestigioso Théâtre du Châtelet y después en el Festival dei Due Mondi, donde recibió “quince minutos de ovación en pie y siete llamadas al telón al final de la primera función”. Bhansali recibió muchos comentarios positivos de la crítica internacional por su trabajo. En 2010, Bhansali estrenó Guzaarish, protagonizada por Hrithik Roshan y Aishwarya Rai, en la que también debutó en la dirección musical. La película recibió críticas entre positivas y mixtas, pero no obtuvo buenos resultados en la taquilla. Guzaarish le valió una nominación a Mejor Director en los Filmfare. En 2011, se convirtió en juez del programa de talentos musicales indio X Factor India Season 1. Ese mismo año, también produjo la película de comedia musical My Friend Pinto, que también recibió críticas mixtas y se hundió en la taquilla. En 2012, Bhansali produjo Rowdy Rathore, un remake de la película telugu Vikramarkudu, protagonizada por Akshay Kumar y Sonakshi Sinha y dirigida por Prabhu Deva. La película recibió críticas mixtas y se convirtió en un gran éxito comercial; Box Office India la calificó como un éxito de taquilla. Al año siguiente, produjo Shirin Farhad Ki Toh Nikal Padi, que también recibió críticas mixtas, pero no pudo funcionar bien en la taquilla.
En 2013, Bhansali dirigió Goliyon Ki Raasleela Ram-Leela, una adaptación de Romeo y Julieta de Shakespeare, protagonizada por Ranveer Singh y Deepika Padukone . Algunos grupos religiosos se opusieron a la película alegando que el título anterior Ramleela era engañoso, porque la película no tenía nada que ver con Ramlila, la representación tradicional de la vida y la historia de la deidad hindú, el Señor Rama. El Tribunal Superior de Delhi suspendió el estreno de la película debido a la controversia sobre su título, alegando que la película hería los sentimientos religiosos de los hindúes. Más tarde, el título de la película se cambió a Goliyon ki Rasleela Ram-Leela, y finalmente se estrenó en la India como estaba previsto. Sin embargo, una semana después del estreno, la sala de Lucknow del Tribunal Superior de Allahabad prohibió el estreno de la película en Uttar Pradesh. A pesar de la controversia y el estreno limitado, la película se estrenó con el beneplácito de la crítica y una fuerte recaudación en taquilla en todo el mundo, ganando finalmente 2.020 millones de libras (31 millones de dólares) y convirtiéndose en la quinta película más taquillera de 2013. La película le valió a Bhansali varias nominaciones a premios, entre ellas las de mejor película y mejor director en los Filmfare. Ese mismo año, Bhansali debutó en la televisión con el programa Saraswatichandra, protagonizado por Gautam Rode y Jennifer Winget, que posteriormente abandonó tras unos pocos episodios.
Al año siguiente, produjo la película deportiva biográfica Mary Kom, protagonizada por Priyanka Chopra, que se estrenó en el Festival Internacional de Cine de Toronto de 2014, convirtiéndose en la primera película hindi en ser proyectada en la noche de apertura del festival. La película se convirtió en un éxito tanto comercial como de crítica y recibió varios elogios junto con la nominación a la mejor película en Filmfare. En la 62ª edición de los Premios Nacionales de Cine, Bhansali recibió otro Premio Nacional a la Mejor Película Popular que Proporciona Entretenimiento Sano por la película. En 2015, produjo la película de acción dramática Gabbar Is Back, protagonizada por Akshay Kumar, que también se convirtió en un éxito comercial con críticas positivas. La siguiente aventura de Bhansali como director fue su proyecto soñado, el romance de época Bajirao Mastani (2015), basado en la historia de amor entre el peshwa Baji Rao I y su segunda esposa Mastani. Ranveer Singh y Deepika Padukone interpretaron los papeles principales, mientras que Priyanka Chopra interpretó a la primera esposa de Bajirao, Kashibai. La película se anunció en 2003 y fue constantemente noticia por el reparto, que incluía a actores como Salman Khan, Shah Rukh Khan, Aishwarya Rai Bachchan, Kareena Kapoor y Rani Mukerji. Los descendientes de Bajirao I y Mastani expresaron su desaprobación de esta película, alegando que la excesiva libertad creativa de Bhansali provocaba una representación errónea de sus antepasados. Se presentó una petición ante el Tribunal Superior de Bombay solicitando la suspensión de la película, pero el Tribunal Superior se negó a interferir en su estreno. La película recibió una gran aclamación de la crítica en todo el mundo y varias fuentes la incluyeron entre las mejores películas de 2015. A pesar de la polémica, la película se convirtió en una de las películas indias más taquilleras de todos los tiempos. La película recibió muchos elogios en varias ceremonias de premios en la India. En la 63ª edición de los Premios Nacionales de Cine, Bajirao Mastani obtuvo siete premios y Bhansali ganó el Premio Nacional al Mejor Director. La película se presentó en la sección Panorama de la India 2016 del Festival Internacional de Cine de la India. Bajirao Mastani fue seleccionada como la candidatura oficial de la India a la mejor película de habla no inglesa para la 74ª edición de los Globos de Oro. Al año siguiente, produjo la película marathi Laal Ishq.
Bhansali dirigió la película de drama de época Padmaavat, producida conjuntamente por él y Viacom 18 Motion Pictures, y también escrita por él. La película cuenta con Deepika Padukone en el papel principal de Rani Padmini, junto a Shahid Kapoor y Ranveer Singh en los papeles principales de Rawal Ratan Singh y Alauddin Khalji respectivamente. Durante el rodaje de la película en enero de 2017 en Jaipur, los miembros de Shri Rajput Karni Sena protestaron en los platós del Fuerte de Jaigarh, agredieron físicamente a Bhansali y a los miembros de su equipo, alegando que tergiversaba hechos históricos y los representaba erróneamente en la película, y también intentaron destrozar los platós. El 6 de marzo de 2017, miembros de Shri Rajput Karni Sena volvieron a cometer actos de vandalismo en el fuerte de Chittor y rompieron los espejos instalados en el palacio de Rani Padmini. El 15 de marzo de 2017, un grupo de vándalos no identificados volvió a atacar e incendiar los decorados de esta película en Kolhapur, lo que provocó que se quemara el set de producción, el vestuario y las joyas. La película ganó 30 millones de dólares en los primeros cuatro días tras su estreno.
En 2021, Bhansali estrenará Gangubai Kathiawadi, una película biográfica y criminal basada en un capítulo del libro de Hussain Zaidi Mafia Queens of Mumbai. La película sobre Gangubai Kothewali, protagonizada por Alia Bhatt en el papel de Gangubai, tiene previsto su estreno para el 30 de julio de 2021.