Bastien Bouillon a commencé sa carrière en 2009, en jouant dans les séries RIS, Central Nuit et Boulevard du Palais. Son rôle dans La Guerre est déclarée a marqué le début d'une collaboration durable avec Valérie Donzelli, avec qui il travaillera de nouveau dans Main dans la main (2012) et Marguerite et Julien, en compétition à Cannes en 2015.

En 2014, son rôle dans Haute Société de Julie Lopes-Curval lui a valu une nomination aux Lumières du meilleur espoir masculin. Acteur fidèle, il a notamment travaillé plusieurs fois avec Dominik Moll, dans Seules les bêtes en 2019 et dans le rôle principal de La Nuit du 12, présenté en séance Cannes Première au Festival de Cannes 2022. Un rôle pour lequel il a de nouveau été nommé, trois ans après Montagne de Sébastien Betbeder, pour un César du meilleur espoir masculin.