Nació en el seno de una familia de la alta burguesía prusiana, hijo del doctor Karl Bonhoeffer y la condesa Paula von Hase, nieta del teólogo Karl von Hase.

Era el mayor de los ocho hermanos, entre ellos el pastor Dietrich Bonhoeffer y el jurista Klaus Bonhoeffer, ejecutados por los nazis por conspirar en el complot del 20 de julio contra Hitler.

En 1929 Bonhoeffer, junto a Paul Harteck, descubrió los isómero nuclear.

Bonhoeffer fue director del Instituto Kaiser Wilhelm de física y electroquímica.

Su hijo Friedrich (1932-) trabajó en el Instituto Max Planck, donde Tobias Bonhoeffer, nacido en 1960, es director de neurobiología.