Abonné très jeune aux Cahiers du Cinéma, Pascal Bonitzer intègre la légendaire revue en 1969, après avoir décroché une licence de philo à Nanterre. Auteur de textes théoriques, il est aussi l'un des seuls rédacteurs à signer des critiques de films dans le mensuel qui vient de prendre le virage maoïste. Dès 1967, il s'introduit dans le monde du cinéma en tant qu'acteur en se mettant dans la peau d'un vampire dans un court métrage intitulé Vampirisme. Professeur à Censier à partir du milieu des années 70, il fait ses débuts de scénariste en 1976 en participant à l'adaptation de "Moi, Pierre Rivière, ayant égorgé ma mère, ma sœur et mon frère" de Michel Foucault pour René Allio.

Tout en poursuivant ses interprétations de seconds rôles, Pascal Bonitzer se fait un nom comme scénariste, notamment au service des anciens des Cahiers : Pascal Kané, Jean-Louis Comolli, André Techiné (Les Sœurs Brontë en 1979, avant Le Lieu du crime en 1985 ou Les Innocents en 1987) et surtout Jacques Rivette. L'Amour par terre, en 1984, marque le début d'une longue collaboration avec ce maître de la Nouvelle Vague, aussi fructueuse (plus de 10 films, dont La Belle Noiseuse et Va savoir) qu'originale : Bonitzer écrit d'abord un canevas, en compagnie de Christine Laurent et du cinéaste, puis rédige les dialogues au jour le jour pendant le tournage. Plusieurs réalisateurs de renom font également appel à ses talents de scénariste, dont Raoul Ruiz, avec qui il collabore entre autres en tant qu'acteur (Généalogies d'un crime, 1996), Schroeder (Tricheurs, 1984) et Jacquot, (Les Mendiants, 1987).

Passé tardivement à la mise en scène avec le court Les Sirènes en 1989, il réalise en 1996 son premier long métrage, Encore, comédie en forme d'autoportrait ironique autour des déboires amoureux d'un professeur campé par Jackie Berroyer. Le Prix Jean Vigo vient saluer ce coup d'essai, marqué par des dialogues incisifs et pleins d'esprit : une qualité qu'on retrouve dans Rien sur Robert (1999), deuxième opus dans lequel il apparait en tant que figurant aux côtés d'un autre beau parleur, Fabrice Luchini. En 2000, il tourne avec Claude Miller qui lui offre le rôle de Monsieur Barsky dans Betty Fisher et autres histoires, avant de partager l'écran avec Guillaume Canet et Vanessa Paradis dans La Clef (2007), un thriller de Guillaume Nicloux.

Désireux de s'éloigner de la comédie pure, Bonitzer ose quelques incursions dans le fantastique au sein de ses films suivants, deux marivaudages teintés d'humour macabre, Petites coupures (avec Daniel Auteuil, 2003) et Je pense à vous (2006), co-écrit par Marina De Van. Il réalise l'année suivante son premier film de commande, Le Grand alibi, adaptation d'un roman d'Agatha Christie, interprété - comme le veut la loi du genre - par une pléiade de comédiens, de Miou-Miou à Lambert Wilson en passant par Valeria Bruni Tedeschi et Caterina Murino. En 2009, il retrouve Jacques Rivette pour le scénario de 36 vues du Pic Saint-Loup, film franco-italien qui manque de peu le Lion d'Or de la 66ème édition de la Mostra de Venise, puis se lance en 2012 dans la réalisation de sa comédie Cherchez Hortense.

Le metteur en scène retrouve Jean-Pierre Bacri aux côtés de sa fille Agathe Bonitzer et du très à la mode Vincent Lacoste dans le drame Tout de suite maintenant qui se situe dans le monde de la finance. En 2019, il s'attaque au registre du fantastique avec Les Envoûtés emmené par Sara Giraudeau et Nicolas Duvauchelle, où une pigiste est envoyée au fin fond des Pyrénées interviewer un artiste qui aurait vu lui apparaître le fantôme de sa mère à l’instant de la mort de celle-ci... Cinq ans plus tard, il livre Le Tableau volé, qui se déroule dans le monde des ventes aux enchères de tableaux. Alex Lutz et Léa Drucker incarnent les deux personnages principaux du film.