Dopo una breve e sfortunata esperienza come calciatore nelle giovanili dell'Inter, interrotta da un incidente che gli crea dei problemi al ginocchio e, dopo aver abbandonato il corso di laurea in Medicina, s'iscrive alla scuola del Piccolo di Milano debuttando con il "Timone d'Atene" di Shakespeare. Negli anni successivi lavora al fianco di attori quali Romolo Valli, Giorgio De Lullo e Mario Scaccia, ottenendo un successo considerevole interpretando "I parenti terribili" di Cocteau, diretto da Franco Enriquez.
L'avvicinamento al cinema avviene solo nel 1979 con il film Masoch di Franco Brogi Taviani. Negli anni successivi lo vediamo interpretare ruoli minori in diversi film, tra i quali, degni di nota, sono La vera storia della signora senza camelie di Mauro Bolognini, nel quale recita al fianco di Isabelle Huppert, oppure la produzione indipendente Regina di Salvatore Piscicelli.

Nel 1986 incontra Gabriele Salvatores, con il quale stabilisce un sodalizio che rappresenta per l'attore una vera e propria svolta artistica. Il noto regista lo dirigerà infatti in Marrakech Express e nel 1990 Turnè, per il quale ha anche scritto la sceneggiatura. Nel 1993 lo vediamo recitare con Silvio Soldini in Un'anima divisa in due, film che concretizzerà fermamente il successo non solo del pubblico ma anche della critica, aggiudicandosi, infatti, anche la Coppa Volpi a Venezia nel 1993 e dopo solo quattro anni il Sacher d'oro, il Ciak d'oro e il David di Donatello come migliore attore per Testimone a rischio di Pasquale Pozzessere.
La forte competenza e il carisma acquisiti dominando i palchi teatrali nei primi anni della sua carriera gli hanno concesso la possibilità di rivestire ruoli estremamente complessi, intensi e senza dubbio poliedrici. Fino al 2000 è infatti attivo ed estremamente impegnato al fianco di grandi registi quali Michele Placido, con il quale nel 1995 recita in Un eroe Borghese, o come Daniele Luchetti per La scuola del 1995, i fratelli Taviani per Le affinità elettive del 1996, fino al 1999, quando collabora con Marco Bellocchio nel film La Balia.
Nel 2003 il successo diventa finalmente clamoroso ed eclatante con il film Ricordati di me di Gabriele Muccino, accanto a Monica Bellucci e Laura Morante. La definitiva consacrazione da parte del pubblico fa da anteprima all'inizio di una collaborazione sotto la direzione di Sergio Rubini, amico di vecchia data, con il quale realizza L'amore ritorna nel 2004 e La terra, due anni più tardi. Nel 2005 invece ottiene un altro importante riconoscimento dalla critica per la notevole interpretazione di un "country man" nella Lucania contemporanea ne L'amico di famiglia di Paolo Sorrentino. Nel 2007 è di nuovo nelle sale sotto la regia di Carlo Mazzacurati in una storia definita dallo stesso regista "un gotico padano, un piccolo Spoon River", mentre è atteso il suo primo film da regista, Lascia perdere Johnny, con Toni e Peppe Servillo, e Valeria Golino, sua ex compagna.

Diplomatosi alla scuola del Piccolo di Milano, dopo le prime esperienze teatrali, esordisce nel cinema nel 1980 con Masoch di Franco Brogi Taviani. Lungo il corso del decennio partecipa in ruoli minori a una decina di film di vario genere, da un classico, come La storia vera della signora delle Camelie di Mauro Bolognini, a un film sperimentale e indipendente come Regina di Salvatore Piscicelli passando da Via Montenapoleone di Carlo Vanzina in cui compare in una piccola parte nei panni di un viscido e cinico architetto. La svolta della sua carriera è dovuta all'incontro con Gabriele Salvatores con il quale, nel 1989, gira Marrakesh Express e, nel 1990, Turnè (di cui scrive anche la sceneggiatura). In entrambi i ruoli (nel primo è un ingegnere che parte con i vecchi amici per aiutare un amico finito in carcere in Marocco, nel secondo è un attore in piena crisi sentimentale che attraversa l'Italia recitando Cechov) interpreta con grande sensibilità le inquietudini di un'intera generazione in fuga dall'asettica euforia degli anni Ottanta. Negli anni Novanta Bentivoglio diviene uno dei volti più rappresentativi del cinema italiano guadagnandosi l'apprezzamento non solo del pubblico ma anche della critica come dimostra la Coppa Volpi, ricevuta nel 1993 a Venezia, per Un'anima divisa in due di Silvio Soldini. Nel 1997 vince il Sacher d'oro, il Ciak d'oro e il David di Donatello come migliore attore per Testimone a rischio di Pasquale Pozzessere. Il suo eclettismo gli permette di dare intensità a personaggi profondamente distanti tra loro riuscendo ad emozionare lo spettatore sia nei panni dell'avvocato Giorgio Ambrosoli, nel film Un eroe borghese (1995) di Michele Placido, che in quelli degli antieroi romantici e perdenti interpretati nei film di Carlo Mazzacurati: La lingua del santo (2000) e A cavallo della tigre (2002). Dopo aver lavorato con autori importanti come i fratelli Taviani ( Le affinità elettive, 1996) Théo Anghelopulos ( L'eternità e un giorno, 1998), Marco Bellocchio (La balia, 1999) Mike Figgis (Hotel, 2001) viene definitivamente consacrato dal film Ricordati di me (2003) di Gabriele Muccino. Da non dimenticare il felice esordio alla regia con il mediometraggio Tipota (1999) poetica riflessione sul labile confine che separa la realtà dalla finzione, seguito poi dalla commedia Lascia perdere Johnny (2007) dove arriva a dirigere un cast di stelle italiane che va da Valeria Golino a Lina Sastri, da Anna Bonaiuto a Sergio Rubini, ed è proprio con quest'ultimo che nasce un profondo sodalizio artistico. Rubini che lo imporrà come protagonista in ben due delle sue pellicole da regista: L'amore ritorna (2004) e La terra (2006). Ma non si deve tralasciare neanche il ruolo della vittima di uno strozzino nell'insolito L'amico di famiglia (1957) di Paolo Sorrentino.