Né d’une mère journaliste et d'un père écrivain, Bonnie Bedelia a deux frères et une sœur. Elle passe une enfance difficile marquée par la pauvreté puis le décès de ses parents lorsqu'elle est adolescente. Elle pratique la danse classique de manière assidue, ce qui lui permet d'apparaître dans plusieurs représentations du New York City Ballet ainsi qu'à Broadway. En 1958, à 10 ans, elle apparaît dans la série Playhouse 90.

Elle est par ailleurs la tante de Macaulay (Maman, j'ai raté l'avion), Kieran (Succession) et Rory Culkin (Scream 4).

C'est dans un premier temps du côté des séries que Bonnie Bedelia commence sa carrière, comme en témoigne, entre autres, sa participation à treize épisodes du soap Love of Life en 1965. En 1969, elle joue dans son premier film, Les Parachutistes arrivent, puis apparaît plus ou moins furtivement dans On achève bien les chevaux, Lune de miel aux orties et The Big Fix. On la voit aussi dans la mini-série Les Vampires de Salem de Tobe Hooper.

Durant les années 1980, et ce parallèlement à ses nombreux rôles dans des téléfilms, on peut la voir dans Pied au plancher (où elle campe l'héroïne Shirley Muldowney, première femme à conduire un dragster) et La Tête Dans Les Nuages. Mais c'est surtout sa prestation dans Piège de cristal, film d'action culte qui génère 139 millions de recettes mondiales, qui la fait connaître du grand public. Elle y campe la femme de Bruce Willis, Holly McClane.

Après avoir repris ce personnage dans 58 minutes pour vivre en 1990, la native de New York trouve le rôle de sa carrière dans le thriller judiciaire Présumé innocent porté par Harrison Ford. Elle y joue la femme de ce dernier, accusé à tort de meurtre. Un rôle marquant, d'autant plus que ce personnage en apparence innocent est en fait coupable. En 1993, elle goûte au registre horrifique avec Le Bazaar de l'épouvante aux côtés de Max von Sydow.

Si, dans les années 1990, elle incarne de solides seconds rôles dans les films Chérie, vote pour moi, Judicial Consent, Bad Manners ou encore Gloria, Bonnie Bedelia privilégie encore davantage, et ce dès la fin de la décennie, les téléfilms et séries. Ainsi, elle se glisse dans la peau du personnage principal de Division d'élite (2001 - 2005), centrée sur une brigade de San Francisco composée d'officiers de police exclusivement féminins.

De 2010 à 2015, l'actrice incarne la grand-mère Braverman de la série Parenthood, une femme aimante et très douce avec ses petits-enfants. Elle campe également la mère de la Première Dame dans la série politique Designated Survivor, avec Kiefer Sutherland. Elle tend par ailleurs à se spécialiser dans les téléfilms de Noël puisqu'elle est au casting de Une coach pour Noël (2017), Un Noël de roman (id.) et The Noel Diary (2021).

Laurent Schenck