Comenzó la carrera como actor en la década de los 50, estudiando con la legendaria maestra de la interpretación Stella Adler, al tiempo que aparecía en televisión y representaciones teatrales de estío.

Bogdanovich recibió también la influencia de los críticos franceses de los 50 que escribían en "Cahiers du Cinema", particularmente el crítico luego devenido director de cine Francois Truffaut, y escribió artículos para Esquire Magazine. En 1968, siguiendo el ejemplo de los críticos de "Cahiers du Cinema" como Truffaut, Jean Luc Godard, Claude Chabrol y Eric Rohmer —quienes habían creado la Nouvelle Vague haciendo sus propios filmes—, el mismo Bogdanovich se hizo director cinematográfico.

Contado 32 años de edad, el joven Bogdanovich fue aclamado por los críticos cuando su film más célebre, La última película (The Last Picture Show, 1971), se estrenaba en 1971. El film recibió ocho nominaciones a los Oscars, entre ellos, el de Mejor director; Cloris Leachman y Ben Johnson ganaron los respectivos a Mejor actor y actriz secundarios. A esta célebre cinta, Bogdanovich siguió con dos grandes éxitos, ¿Qué me pasa doctor? (What's Up Doc? 1972), y Luna de papel (Paper Moon, 1973), una comedia enmarcada en la época de la Depresión protagonizada por Ryan O'Neal, y en la que su hija Tatum, entonces contando 10 años de edad, consiguió el Oscar a la Mejor actriz secundaria. Los siguientes filmes del director fueron Una señorita rebelde (Daisy Miller, 1974); At Long Last Love (1974); Así empezó Hollywood (Nickelodeon, 1976); y Todos rieron (They All Laughed, 1981)".

Luego, Bogdanovich volvió a mirar a su primera actividad, la escritura, y escribió unas memorias de su idilio amoroso con la aspirante a actriz Dorothy Stratten, que resultó asesinada muy poco antes de que ambos fueran a casarse.

"The Killing of the Unicorn: Dorothy Stratten (1960-1980)" se publicó en 1984. El libro fue una respuesta a Teresa Carpenter, quien había escrito el artículo "Death of a Playmate" para The Village Voice, ganando el Pulitzer de 1981. Ese artículo sirvió de base para el film de Bob Fosse Star 80 (Star 80, 1983), en el que Bogdanovich quedaba retratado a través del director ficticio Aram Nicholas.

En 1985, Bogdanovich dirigió Máscara (Mask, 1985), que protagonizan Cher y Eric Stoltz; y luego, Texasville (Texasville, 1990), una secuela de La última película. En 2001, dirigió The Cat's Meow (2001), protagonizada por Kirsten Dunst; y luego asumió un personaje de frecuente aparición, el analista del Dr. Melfis, en la serie de la HBO Los Soprano (The Sopranos, 2000-2004), donde también desempeñó las funciones de director invitado.

El realizador va a dirigir Roman Nights, que revive los tumultuosos veinticinco años de amistad entre la actriz Anna Magnani y el autor de teatro Tennessee Williams, inspirada en la pieza teatral de Franco D’Alessandro que se montó en Nueva York en 2002, y en Londres en 2004, y que fue objeto de los más entusiasmados comentarios y críticas.

Bogdanovich también ha producido regularmente libros en torno al cine de carácter inestimable, particularmente "Who the Devil Made It: Conversations with Legendary Film Directors" y "This is Orson Welles".