Вихованець юнацької команди футбольного клубу «Вітербезе».
У дорослому футболі дебютував 2005 року виступами за команду міланського «Інтернаціонале», в якій провів два сезони, взявши участь лише в одному матчі основної команди в чемпіонаті.
2007 року гравця, що не потрапляв до основи міланської команди, було відправлено в оренду до клубу Серії B«Тревізо», в якому він регулярно отримував ігрову практику та провів півтора сезони. Першу половину 2009 року провів захищаючи, також на умовах оренди, кольори клубу «Піза».
У червні 2009 року уклав контракт з «Дженоа», однак вже за місяць частину прав на гравця викупив клуб «Барі» і Бонуччі розпочав сезон 2009–10 саме у складі цієї команди. У складі «Барі» відразу ж став одним з основних центральних захисників.
До складу клубу «Ювентус» приєднався 2010 року і провів за туринців сім сезонів, в яких відіграв 227 ігор і забив 14 голів. У 2017-2018 році за 40 мільйонів євро перейшов до складу "Мілану", підписавши контракт строком на 5 років (35 матчів - 2 м'ячі). Утім, після завершення сезону повернувся до "Ювентуса", за який виступає на даний час (90 ігор - 7 голів в Серії А).
3 березня 2010 року дебютував в офіційних матчах у складі національної збірної Італії в товариській грі проти Камеруну (0:0). За 11 років у формі головної команди країни провів 109 матчів, в яких забив 8 голів у тому числі у фінальній грі ЄВРО-2020 проти збірної Англії. Тим самим захисник став найстаршим автором голу в історії фінальних матчів Євро (34 роки і 71 день). У складі "скуадри адзури" став чемпіоном Європи-2020, а захисника визнали кращим гравцем фіналу.