Miután a Göttingeni Egyetemen kémiából doktorált (1830), Bunsen tanítani kezdett a Marburgi, a Breslaui és más egyetemeken. Heidelbergi professzorként (1852-99) kiváló kémiai iskolát hozott létre. Sosem nősült meg, a diákjaiért és laboratóriumáért élt. Tanítványai között nagyon népszerű volt. Főleg kísérleti és analitikai munkával foglalkozott.

 Megtalálta az arzénmérgezés ellenszerét a frissen kicsapott vasoxid-hidrátban (1834). 1837-ben elkezdte egyetlen figyelemreméltó szerves kémiai vállalkozását az erősen mérgező arzéntartalmú vegyület, a kakodil vizsgálatával. A hat év alatt, amíg ezzel dolgozott, egy robbanás során elveszítette fél szemevilágát és majdnem végzetes arzénmérgezést szenvedett. Kutatásai hasznos felismerésekhez vezettek szerves fémvegyületek kapcsán; ezeket az anyagokat tanítványa, Edward Frankland vizsgálta meg "alaposabban". Végül Bunsen lezárta a laboratóriumában folytatott a szerves kémiai kutatást.

 Az olvasztókemencékből kibocsátott gázok összetételét vizsgálva Bunsen kimutatta, hogy a hőnek 50-80 vagy még több százaléka veszendőbe megy. Ez vezette őt a gázok térfogatmérési módszerének kidolgozásához, melyet egyetlen közleményében, a Gasometrische Methoden c. munkában (1857) foglalt össze.

 1841-ben feltalálta a később róla elnevezett szén-cink galvánelemet. A segítségével előállított fény mérése céljából kifejlesztette a zsírfolt-fotométert (1844). Elsőként állított elő fémes állapotú magnéziumot, tanulmányozta fizikai és kémiai tulajdonságait, demonstrálta a láng ragyogását és reakcióképességi (aktinikus) tulajdonságait a magnézium levegőben történő elégetése során.

 Bunsen feltalálta a szűrőszivattyút (1868), a jégkalorimétert (1870) és a gőzkalorimétert (1877). Bár általában neki tulajdonítják a Bunsen-égő feltalálását, valószínűleg csak kevéssé járult hozzá a kifejlesztéséhez.