Au sortir de ses études secondaires, Bruno Cremer prend des cours de théâtre au Conservatoire et consacre ses dix premières années de comédie exclusivement à la scène. Il débute au cinéma en 1957 avec un petit rôle dans Quand la femme s'en mêle de Yves Allégret, et continue avec quelques apparitions -dont une dans La Fabuleuse histoire de Marco Polo (1963 ; Denys de La Patellière et Noel Howard) - jusqu'à La 317e Section de Pierre Schoendoerffer qui, en 1964, lui permet d'accéder au rang d'acteur populaire.
Fort de près de soixante-dix films, Bruno Cremer a beaucoup tourné avec Yves Boisset et en particulier Jean-Claude Brisseau - respectivement cinq et trois films - mais également avec Costa-Gavras (Un homme de trop, 1966 ; Section spéciale, 1974), Claude Lelouch (Le Bon et les méchants, 1975), Michel Deville (Bye bye, Barbara, 1968), Patrice Chéreau (La Chair de l'orchidée, 1974), Claude Sautet (Une histoire simple, 1978), Luchino Visconti (L'Etranger, 1967), ou encore William Friedkin (Le Convoi de la peur, 1977). Durant les années 1990, il travaille essentiellement à la télévision, ne revenant qu'épisodiquement au cinéma – dans Un vampire au paradis (1991) Taxi de nuit (1992).
Sous le sable, qu'il tourne en 2000, est son premier long métrage depuis huit ans. Il est suivi, l'année suivante, par Mon père, il m'a sauvé la vie de José Giovanni. En 2002, Bruno Cremer retrouve pour la troisième fois Pierre Schoendoerffer dans Là-haut, un roi au-dessus des nuages, en donnant la réplique à son "vieux" complice Jacques Perrin.