Első rövidfilmjeit 16 mm-es kamerával forgatta gyerekekről és karácsonyi disznóölésekről. 1962-ben Pier Paolo Pasolini asszisztense lett, a rendezőt ma is "második apjaként" emlegeti. Pasolini segítette első játékfilmjének megrendezéséhez, amely még a francia újhullám hatását mutatta. 1964-ben Forradalom előtt címmel Stendhal A pármai kolostor című regényét vitte filmre, s az őt mindig is foglalkoztató konfliktust boncolgatta a szabadság és konformitás között.

Egy ideig forgatókönyveket írt, így többekkel együtt jegyezte a Volt egyszer egy vadnyugat című westernt, s - lévén 1968 óta párttag - a kommunistáknak rendezett dokumentumfilmeket. Az 1968-as diáklázadások eseményeit dolgozta fel A partner című filmjében, amely Dosztojevszkij A hasonmás című regényét ültette át a mai környezetbe. A forradalmi megmozdulások elmúltával Bertolucci is "lehiggadt" és visszatért a klasszikus filmnyelvhez, témáit a múltból választotta. A fasizmus hétköznapjait mutatta be az Alberto Moravia regénye nyomán készült A megalkuvó, amelynek forgatókönyvért Oscar-díjra jelölték.

A világsikert 1972-ben a botránykőnek kikiáltott Az utolsó tangó Párizsban hozta meg számára. A középkorú özvegy amerikai férfi és a fiatal francia színésznő kapcsolatát boncolgató alkotás nyíltan ábrázolta a szexualitást, mivel a rendező a szexet újfajta nyelvként fogta fel, amelyen szereplői kommunikálni próbálnak. A filmet Oscar-díjra jelölték, de hazájában betiltották, sőt bíróság elé is állították érte. 1976-ban készült a monumentális, több mint ötórás Huszadik század, amely Olaszország 1900 és 1945 közötti történetét dolgozza fel két ugyanazon a napon született, de barátból politikai ellenféllé váló férfi életét követve. Az Egy nevetséges ember álma (1981) Aldo Moro elrablása, illetve a II. János Pál pápa elleni merénylet árnyékában egy terrorista emberrablással foglalkozott.

Bertolucci ezt követően Hollywoodba költözött, névjegyét 1987-ben Az utolsó kínai császárral tette le. A kilenc Oscar-díjjal - köztük a legjobb filmnek és legjobb rendezésnek járó - honorált alkotás 30 ezer kínai statisztát vonultatott fel, a stáb még a pekingi császári palotában is forgathatott. Az Észak-Afrikában játszódó Oltalmazó ég (1990) pszichologizáló szerelmi háromszög a modern amerikai és a hagyományos arab civilizáció drámai találkozásáról, középpontjában az otthontalanság életérzés áll. Az 1994-es A kis Buddha túlságosan hosszúra és "giccsesre" sikeredett, így hűvös fogadtatásban részesült, ahogy a két évvel későbbi Lopott szépség is, hiába forgatott másfél évtized után ismét Itáliában. Eddigi utolsó játékfilmje, a 2003-as Álmodozók egy fiatal amerikai kalandjait meséli el Párizsban az 1968-as diáklázadások idején.

Bertolucci kapcsán filmjeinek lenyűgöző képi világát, drámai érzékét, pszichológiai ábrázolókészségét emeli ki a kritika. A rendező más művészetekhez is vonzódik: operatőrének nem technikai instrukciókat ad, hanem az általa elképzelt hangulatot tükröző festményeket és fotókat mutat, s tehetséges költő is, ifjúkorában verseiért megkapta az egyik legrangosabb olasz irodalmi díjat.