Михаил Дмитриевич Бонч-Бруевич родился в семье землемера, представителя белорусско-литовской дворянской культуры Могилёвской губернии. В 1891 году окончил Московский измерительный Константиновский межевой институт, а затем в 1892 году успешно завершил военно-учебный курс Московского пехотного юнкерского училища. Бонч-Бруевич начал свою военную службу 4 августа 1892 года в 12-м гренадерском Астраханском полку, а затем переведен в лейб-гвардии Литовский полк.
В 1898 году он успешно завершил обучение в Николаевской академии Генерального штаба и в период с 1898 по 1908 год служил при штабах различных военных округов. Важное влияние на его военно-теоретические взгляды оказал генерал М. И. Драгомиров, с которым Бонч-Бруевич познакомился в Киевском военном округе.
В 1905 году Драгомиров пригласил Бонч-Бруевича участвовать в переработке «Учебника тактики», составленного генералом после русско-турецкой войны 1877—1878. Бонч-Бруевич внес значительные изменения в учебник, опираясь на опыт русско-японской войны, и переиздал его в 1910—1911 годах. В 1907 году Бонч-Бруевич прочитал полный курс прикладной тактики по приглашению конференции Академии Генерального штаба.
В 1904 году он начал свою военно-литературную деятельность, публикуя статьи по военным вопросам в различных газетах и журналах. В 1907 году Бонч-Бруевич был повышен в полковники, а с октября 1908 года по январь 1910 года занимал должность начальника штаба Либавской крепости.
С 1910 года он был штаб-офицером и заведующим обучающимися в Николаевской военной академии офицерами. С марта 1914 года Бонч-Бруевич командовал 176-м пехотным Переволоченским полком и участвовал в Первой мировой войне.
После начала войны Бонч-Бруевич был назначен исправлять обязанности генерал-квартирмейстера штаба 3-й армии на Юго-Западном фронте, которой командовал Н. В. Рузский. В 1914 году он сыграл роль в переработке учебника тактики и продолжил свою военно-литературную деятельность.
Бонч-Бруевич принимал активное участие в выселении евреев из прифронтовой полосы, обвиняя их в шпионаже. В 1915 году он сыграл важную роль в деле полковника Мясоедова вместе с начальником контрразведки Н. С. Батюшиным.
С 1 апреля 1915 года он находился в распоряжении Верховного главнокомандующего, исполняя обязанности начальника штаба 6-й армии. С 20 августа 1915 года он был исправляющим должность начальника штаба Северного фронта. С 25 февраля 1916 года он находился в распоряжении главнокомандующего армиями Северного фронта и одновременно занимал должность начальника гарнизона Пскова.
В свое время Бонч-Бруевич взаимодействовал с летчиками и стал вовлечен в ссору с П. Нестеровым, что привело к трагическому исходу для последнего в 1914 году.
Бонч-Бруевич был генерал-майором с 10 сентября 1914 года и генерал-квартирмейстером штаба 3-й армии, а затем Северо-Западного фронта. Он также исполнял обязанности начальника штаба 6-й армии и Северного фронта в различные периоды войны. Он участвовал в важных военных операциях и внес свой вклад в военную теорию и практику Российской империи.
В ночь с 21 на 22 февраля 1931 года по делу контрреволюционного заговора бывших офицеров был арестован ОГПУ. На допросах к Бонч-Бруевичу не применялось никаких мер физического или морального воздействия. Участия в каких-либо организациях Михаил Дмитриевич не признал. Зато успел дать показания против бывшего генерала и командующего Южным фронтом РККА Павла Павловича Сытина, которого обвинил в руководстве контрреволюционным офицерским заговором в СССР. Впрочем, Сытину тогда это существенно не повредило, расстрелян он был 7 лет спустя, в 1938 г.
В конце концов, 17 мая 1931 года М. Д. Бонч-Бруевича выпустили из тюрьмы, а его дело «за отсутствием состава преступления» было прекращено.
В 1937 году ему присвоено звание комдива.
В 1944 году произведён в генерал-лейтенанты.
3 августа 1956 года Михаил Дмитриевич умер в 1956 году в Москве. Похоронен на Ваганьковском кладбище.
В 1957 году были опубликованы его мемуары («Вся власть Советам»).
