Már 11 éves korában írt, igaz, akkor még húscsomagoló papírokra. Családja az 1930-as évek közepén költözött Los Angelesbe, akkortájt szívesen görkorcsolyázott Hollywood utcáin abban a reményben, hátha egy híresség felfigyel rá. A középiskolában színjátszó csoportba járt, és sokáig színésznek készült. Két éles szemű tanára azonban felismerte benne az írói tehetséget, ezért inkább erre a pályára terelgették. Egy költői klubhoz és a Los Angeles-i Science Fiction Társasághoz is csatlakozott.

Nem ment egyetemre, de a tanulásra továbbra is nagy hangsúlyt fordított. Nappal újságot árult Los Angeles utcáin, emellett gépíróként dolgozott, éjszakánként viszont a közkönyvtárakat látogatta. Pendulum (Inga) című első novellája, amiért már fizettek is, a Super Science Stories című folyóiratban jelent meg 1941-ben. Egy évvel később látott napvilágot a The Lake (A tó) című munkája, amelyben már kirajzolódott egyéni stílusa. A sikeren felbuzdulva teljesen az írásnak szentelte idejét és energiáját. 1945-ben A nagy fekete-fehér játszma című írását beválasztották a Legjobb amerikai novellák címet viselő antológiába. 1947-ben megnősült, ugyanebben az évben jött ki Sötét karnevál című novelláskötete.

Ettől kezdve pályája felfelé ívelt. 1950-ben jelent meg egyik legismertebb műve, a Marsbéli krónikák, amely elemzői szerint a science fiction eszközeivel bírálta a társadalmi visszásságokat. Szintén világhíressé vált filozofikus regénye, a három évvel későbbi Fahrenheit 451 fenyegető és sötét világot írt le. A könyvből 1966-ban Francois Truffaut rendezett filmet.

Bradbury is rajong a filmekért, számos hollywoodi produkcióhoz kötődik a neve. Egyebek mellett az 1956-os Moby Dick forgatókönyvét jegyezte, amelynek főszerepét Gregory Peck játszotta. A tévé számára is írt forgatókönyveket, köztük többet Alfred Hitchcock rendezett. Novelláiból minisorozat is készült, amelyet a Magyar Televízióban is bemutattak. Az Oscarra jelölt Icarus Montgolfier Wright című, repülés történetét feldolgozó animációs film forgatókönyvén is dolgozott.

Számos kitüntetése mellett az Amerikai Science Fiction Írók Szövetsége (SFPA) a nagymesterének nevezte ki. Tíz éve az amerikai Nemzeti Könyvdíj átadásakor életműdíjjal jutalmazták. Szokatlan elismerésként egy aszteroidát neveztek el róla, és Dandelion Wine című, önéletrajzi ihletésű műve nyomán kapta nevét a Hold Dandelion krátere.