Fabrizio Bentivoglio è nato a Milano il 4 gennaio 1957, dove durante gli anni del liceo aveva iniziato a giocare nella squadra giovanile dell'Inter, che ha abbandonato in seguito ad un infortunio. Da quel momento in poi opta per la carriera attoriale, iscrivendosi ai corsi di recitazione del Piccolo Teatro di Milano e nel frattempo inizia a muovere i primi passi in particolare con il testo shakespeariano "Timone d'Atene". Si iscrive alla facoltà di medicina, studio che non porterà mai a termine per trasferirsi a Roma, dove intraprende la strada del cinema e nel 1980 debutta in Il bandito dagli occhi azzurri accanto a Franco Nero. L'interpretazione del giovane Riccardo in questo film gli valgono altri primi ingaggi, tra cui La vera storia della signora delle camelie (1981), dove condivide il set insieme a Gian Maria Volonté, Carla Fracci, Bruno Ganz e Isabelle Huppert.
A questo ne seguiranno altri, come Via Montenapoleone (1987) di Carlo Vanzina o Marrakech Express (1989) di Gabriele Salvatores, dove è il protagonista insieme a Diego Abatantuono, coppia che ritroverà più avanti anche in Turné (1990) e Puerto Escondido (1992). Conquistato il pubblico e il mondo dello spettacolo con i lavori degli anni '80, è il decennio successivo quello più produttivo per l'attore, che inizia con le commedie Italia-Germania 4-3 (1990) e Americano rosso (1991) e continua con la pellicola drammatica Painese Nunzio, 14 anni a maggio (1996), passando per Testimone a rischio (19997), con il quale Bentivoglio si aggiudica una candidatura al Globo d'oro, nonché un Ciak d'oro e un David di Donatello, quest'ultimo premio lo vincerà anche nel 1999 per l'interpretazione in Del perduto amore (1998) di Michele Placido. Salvatores, che lo considera ormai uno dei suoi attori feticcio insieme ad Abatantuono, lo rivuole davanti la sua macchina da presa in Denti (2000), Happy Family (2010) e nel cinecomic all'italiana Il ragazzo invisibile (2014).
Negli anni Duemila lavora però anche con altri grandi registi del panorama italiano, come Gabriele Muccino in Ricordati di me (2003), Sergio Rubini con L'amore ritorna (2004) e La terra (2005) e Paolo Sorrentino con L'amico di famiglia (2006). Questo è anche il periodo in cui Bentivoglio sperimenta dietro la macchina da presa e gira Lascia perdere, Johnny! (2007), film ispirato alla storia del chitarrista degli Avion Travel, Fausto Mesolella. Successivamente è il protagonista con Francesca Neri di Una sconfinata giovinezza (2010) ed è un ex professore alle prese con i problemi di un giovane teppistello romano in Scialla! (Stai Sereno) (2011) di Francesco Bruni. Nel 2014 viene nominato ai David e al Globo e vince un Nastro d'argento per l'interpretazione ne Il capitale umano (2014), pellicola di Paolo Virzì che viene candidata agli Oscar.
Seguono alcune commedie da protagonista, spesso in ruoli che si contrappongono al mondo tecnologico giovanile, come quello di Giorgio in Forever Young (2016) di Fausto Brizzi o quello del capofamiglia Ettore in Sconnessi (2018), insieme a Ricky Memphis, Carolina Crescentini, Stefano Fresi ed Eugenio Franceschini.