Se licenció por la Universidad de Valencia, obteniendo el premio extraordinario.

En 1934 marchó a Madrid, donde, bajo la dirección del profesor Gregorio Marañón, se doctoró por esta Universidad con la tesis La acción del ovario sobre el metabolismo de los hidratos de carbono.

Francisco Bonilla contrajo matrimonio con la aristócrata María Dolores Musoles Barber, hija del V Barón de Campo-Olivar.

Allí alcanzó gran prestigio profesional por su labor, tanto docente como clínica, desarrollada principalmente en la Universidad y Hospital Clínico y la maternidad provincial de Valencia.

Organizó el servicio en secciones, dirigidas por expertos con una clara vocación interdisciplinaria.

La figura de Francisco Bonilla Martí ha tenido una especial relevancia en la ginecología española.