Родился в горняцком посёлке Эренфелд (штат Пенсильвания), был 11-м из 15 детей в шахтёрской семье. Его отец Уолтер Бучинский (1888—1932), уроженец местечка Друскеники Гродненской губернии, происходил из липок — польско-литовских татар и эмигрировал в США с родителями — Фрэнком и Элизабет Бучинскими. Его мать Мэри Бучински (в девичестве Валински, 1890—1968) родилась в Уилкс-Барре, штат Пенсильвания, в семье Томаса Валински и Анны Батсэвидж, эмигрантов из Российской империи (современная Литва).
В 1943 году был призван в вооружённые силы США и служил в авиации стрелком на Б-29, участвовал в битвах за Сайпан и за Гуам. После второй мировой войны решил стать актёром, полагая, что это обеспечит ему достойный заработок. Окончил Pasadena Playhouse (город Пасадена). Сменил несколько профессий, был шахтёром, разнорабочим; снимался в небольших ролях на ТВ. С 1950 года начал работать в кино, причём в первых 12 фильмах — под своей настоящей фамилией. Во время маккартистской «охоты на ведьм» сменил звучащую по-славянски фамилию Бучинский на англосаксонскую Бронсон. В 1960 году Бронсон появился в вестерне Джон Стёрджеса «Великолепная семёрка» вместе с другими звёздами — Юлом Бриннером, Стивом Маккуином, Джеймсом Коберном, Робертом Воном, Илаем Уоллаком.
В 1968 году появился в фильме Серджо Леоне «Однажды на Диком Западе». В 1969 году снялся во французском детективе «Пассажир дождя», который был удостоен премии «Золотой глобус» за лучший фильм на иностранном языке в январе 1971 года. В 1971 году вышел вестерн Теренса Янга «Красное солнце», где партнёрами Бронсона стали француз Ален Делон, японец Тосиро Мифунэ и девушка Джеймса Бонда Урсула Андресс. В следующем году вышел ещё один фильм Теренса Янга — «Бумаги Валачи» по книге Питера Мааса. Бронсон сыграл роль мафиози Джо Валачи.
Знаковой для актёра стала роль Пола Керси в фильме 1974 года «Жажда смерти» режиссёра Майкла Уиннера. Герой Бронсона превращается из законопослушного архитектора в жестокого борца с преступностью. Фильм имел четыре сиквела, которые вышли в 1980-е и 1990-е годы.
В 1975 году вышел фильм «Тяжёлые времена», в котором перешагнувший 50-летний рубеж Бронсон сыграл уличного бойца. В том же году он исполнил роль правительственного агента Джона Дикина в детективном вестерне «Перевал Брейкхарт» по одноимённому роману Алистера Маклина, получив за неё гонорар в один миллион долларов. В фильме 1977 года «Телефон» он сыграл главную роль положительного агента КГБ Григория Борзова. В 1991 году появился в небольшой роли в дебютной режиссёрской работе Шона Пенна «Бегущий индеец».
Последней работой Бронсона в кино стала телевизионная трилогия «Семья полицейских». Завершил карьеру в 1998 году.