Nato a Milano, frequenta la scuola del Piccolo Teatro. Debutta nel 1978 con La tempesta di William Shakespeare diretto da Giorgio Strehler. La prima apparizione sul grande schermo è del 1980 nel film di Mauro Bolognini La vera storia della Signora dalle Camelie con Isabelle Huppert, Gian Maria Volontè e Bruno Ganz.
Nella sua lunga carriera ha lavorato più volte con Gabriele Salvatores (Marrakech Express Turné, Denti, Happy Family, Il ragazzo invisibile), conSilvio Soldini (L’aria serena dell’Ovest, Un’anima divisa in due – che gli vale la Coppa Volpi a Venezia –, Le acrobate), con Carlo Mazzacurati (La lingua del santo, A cavallo della tigre, La giusta distanza), oltre ad altri numerosi registi come Daniele Luchetti, i fratelli Taviani, Marco Bellocchio, Théo Angelopulos, Gabriele Muccino, Pupi Avati, Francesco Bruni, Michele Placido, Sergio Rubini, Paolo Virzì, Paolo Sorrentino. Lui stesso è regista dei film Tipota (1999) e Lascia perdere, Johnny! (2007).
Ha vinto 3 David di Donatello, come Migliore Attore per Testimone a rischio (1997), Miglior Attore Non Protagonista per Del perduto amore (1999) e per L’incredibile storia dell’Isola delle Rose (2021).
Molto attivo anche in tv ricordiamo gli ultimi titoli Il nome della Rosa dall’omonimo libro di Umberto Ecoin onda su Rai Uno e La concessione del telefono, uno dei romanzi storici di Andrea Camilleri, sempre per Rai Uno. È il volto di Monterossi nella serie omonima ispirata ai romanzi di Alessandro Robecchi, in onda da gennaio su Prime Video.
Parallelamente all’attività sul piccolo e grande schermo Fabrizio Bentivoglio continua la carriera teatrale e negli anni lavora con Giorgio Strehler, Mario Scaccia, Maurizio Scaparro, Giuseppe Patroni Griffi, solo per citarne alcuni.
Con L’ora di ricevimento (2016/2017) scritto da Stefano Massini e diretto da Michele Placido, si aggiudica la Maschera del Teatro Italiano come Miglior Attore Protagonista.