Bonneville wurde als Sohn eines Chirurgen und einer Krankenschwester, die zeitweise für den MI6 arbeitete, geboren.[1][2] Er nahm Schauspielunterricht an der Londoner Webber Douglas Academy of Dramatic Art[3] und arbeitete einige Jahre für die Royal Shakespeare Company.[4] Als dort sein Vertrag nicht verlängert wurde, debütierte er in einer Folge der britischen Fernsehserie Chancer aus dem Jahr 1990. In der Fernsehkomödie Stalag Luft (1993) spielte er an der Seite von Stephen Fry eine der größeren Rollen. In der Komödie Notting Hill (1999) mit Julia Roberts und Hugh Grant spielte er den erfolglosen Börsenmakler Bernie.
2009 spielte Bonneville im Jugendfilm Die Kamine von Green Knowe (Original From Time to Time) die Kostümrolle des Captain Oldknow. Regisseur und Produzent war Julian Fellows.
Von 2010 bis 2015 verkörperte er in der Fernsehserie Downton Abbey den Earl von Grantham. Bonneville wurde für diese Rolle für den Golden Globe Award als bester Hauptdarsteller nominiert.[5] 2012 erhielt Bonneville eine der 16 Emmy-Nominierungen für die Serie als bester Hauptdarsteller in einer Dramaserie.[6] Die gleiche Rolle übernahm Bonneville auch in den Kinofilmen Downton Abbey (2019) und Downton Abbey II: Eine neue Ära (2022).
Bonneville ist seit 1998 verheiratet und hat ein Kind.[3]