Bonnie est née à Sunnyside (Washington), dans l'état de Washington. En 1967, elle est diplômée du Sunnyside High School, à Sunnyside. Elle obtient une licence puis un master respectivement en 1971 et 1975 à l'Université de Washington puis un doctorat en mécanique et ingénierie biomédicale à l'Université de Houston en 1983.
Après avoir obtenu son diplôme en 1971, Bonnie Dunbar travaille en tant qu'analyste systèmes dans le service informatique de Boeing durant deux ans. De 1973 à 1975, elle mène des recherches pour sa thèse dans le domaine des mécanismes et de la cinétique de la diffusion ionique dans le bêta-alumine de sodium. En 1975, elle est invitée à participer aux recherches au Centre de recherche sur l'énergie atomique à Harwell, près d'Oxford, en Angleterre, en tant que chercheur invité.
Dunbar obtient à cette époque son doctorat à l'Université de Houston à Houston au Texas. Sa thèse pluridisciplinaire (science des matériaux et la physiologie) consiste à évaluer les effets du vol spatial simulé sur la solidité des os et leur ténacité. Ces résultats ont été corrélés à des modifications de l'activité hormonale et métabolique. Dr Dunbar est alors professeur adjoint en génie mécanique à l'Université de Houston.
Puis elle est sélectionnée pour être astronaute en août 1981. Elle est d'abord chargée de la vérification du logiciel de vol de la navette au Shuttle Avionics Integration Laboratory. Elle est nommée responsable de la division du développement des missions. En 1993, Dunbar est nommée administrateur adjoint au Bureau des sciences de la vie et de la microgravité, au siège de la NASA, à Washington (district de Columbia).
En février 1994, elle se rend en Russie, pour suivre une formation de 13 mois en tant que membre de l'équipage suppléant pour un vol de trois mois sur la station spatiale russe Mir.
Elle effectue cinq vols spatiaux à bord de la navette spatiale américaine en tant que spécialiste de mission puis comme responsable de la charge utile. Dans le cadre de ses missions elle a séjourné plus de 50 jours dans l'espace.
Elle a été marié à l'astronaute Ronald M. Sega. Dunbar a une licence de pilote privé avec et a plus de 1000 heures de vol en tant que copilote à bord d'un Northrop T-38 Talon.
