Bogdanovich a lucrat ca jurnalist de film până când a fost angajat să lucreze la filmul lui Roger Corman, The Wild Angels (1966). Debutul său în lungmetraj a venit cu Targets (1968), înainte de a avea o carieră de succes cu drama The Last Picture Show (1971), care i-a adus nominalizări la Premiile Oscar pentru Cel Mai Bun Regizor și Cel Mai Bun Scenariu Adaptat, precum și filmele apreciate What's Up, Doc? (1972) și Paper Moon (1973). Alte filme includ Saint Jack (1979), They All Laughed (1981), Mask (1985), Noises Off (1992), The Cat's Meow (2001) și She's Funny That Way (2014).
Ca actor, a fost cunoscut pentru rolurile sale în serialele HBO The Sopranos și în ultimul film al lui Orson Welles, The Other Side of the Wind (2018), la care a contribuit și pentru a-l finaliza. A primit un Grammy pentru Cel Mai Bun Film Muzical pentru regia documentarului despre Tom Petty, Runnin' Down a Dream (2007).
Bogdanovich a regizat documentare precum Directed by John Ford (1971) și The Great Buster: A Celebration (2018). De asemenea, a publicat numeroase cărți, dintre care unele includ interviuri detaliate cu prietenii săi Howard Hawks, Alfred Hitchcock și Orson Welles. Lucrările lui Bogdanovich au fost citate ca influențe importante de către mulți cineaști de marcă.