Etudiant en cinéma à Paris VIII, Jérome Bonnell est finaliste du Prix Junior du meilleur scénariste avec Le bonheur des uns, long métrage qui restera à l'état de projet. Il fait ses premiers pas de réalisateur en 1999 avec Fidèle, court métrage qui marque aussi le début d'une longue collaboration avec la comédienne Nathalie Boutefeu.
Après deux autres courts, Jérôme Bonnell s'attelle à son premier long métrage, Le Chignon d'Olga, également sélectionné au Prix Junior du Meilleur Scénario. A la fois chronique familiale, portrait d'un amoureux transi et récit d'une amitié, cette première oeuvre très maîtrisée, primée au Festival de Chicago, révèle en 2002 un cinéaste d'une grande sensibilité. Tout aussi délicat, Les Yeux clairs, son deuxième opus, lauréat du prix Jean-Vigo 2005, offre un rôle en or à sa muse Nathalie Boutefeu, celui d'une jeune femme mal-aimée au comportement déconcertant.
Jérôme Bonnell réalise en 2007 J'attends quelqu'un, film-mosaïque sur la solitude et l'espoir. S'il continue de creuser son sillon, Bonnell dirige cette fois des pointures du cinéma français (Darroussin, Devos, Caravaca). Il se lance un nouveau défi en faisant une incursion dans le polar avec La Dame de trèfle (2010), récit de la relation fusionnelle qui unit un frère et une soeur, interprétés par le nouveau venu Malik Zidi et l'habituée Florence Loiret-Caille.
En 2012, il réalise Le temps de l'aventure avec Emmanuelle Devos et Gabriel Byrne.
