Bourdelle ging op dertienjarige leeftijd als houtbewerker in de meubelmakerij van zijn vader werken. Hij leerde tekenen bij de oprichter van het Musée Ingres in Montauban, daarna beeldhouwen aan de Académie des Beaux Arts in Toulouse, waar hij tien jaar doorbracht. Hij kreeg op vierentwintigjarige leeftijd een beurs voor de École des Beaux Arts in Parijs. Zijn leermeesters waren Alexandre Falguière en Jules Dalou.
In 1888 vervaardigde hij zijn eerste sculpturen, waaronder portretten van Beethoven en Émile Pouvillon. Dit eerste werkt kenmerkt zich door zijn realisme, in navolging van zijn leermeester Falguière. Auguste Rodin bewonderde zijn werk en vanaf 1893 tot 1908 werkte Bourdelle als Rodins assistent. Onder invloed van Rodin werd het werk van Bourdelle in de jaren 1890 meer expressionistisch. In het tweede deel van zijn carrière kwam Bourdelle tot wasdom. In deze fase van synthetisme zocht hij naar het vereenvoudigen van vormen en vlakken.
Bourdelle ontwikkelde zich tot een bekende leermeester, zowel in Rodins als in zijn eigen atelier. Vele, later bekende, kunstenaars (waaronder Alberto Giacometti, Aristide Maillol, René Iché, Germaine Richier, Bror Hjorth en Otto Gutfreund) kregen van hem onderricht, waardoor hij een aanzienlijke invloed op de beeldhouwkunst uitoefende. Zijn Héraklès archer was een van de centrale stukken van het Salon van 1910 en oogstte veel lof. Van 1909 tot aan zijn dood in 1929 was hij docent aan de belangrijke Académie de la Grande Chaumière in Parijs. Hij was de oprichter en vicepresident van de "Salon des Tuileries" in Parijs.
Hij ondertekende zijn werk met een monogram bestaande uit een staande A gekruist met een liggende B.
Het Musée Bourdelle (16, rue Antoine Bourdelle in Parijs) bestaat uit Bourdelle's woonhuis, zijn atelier en de tuin. Hij heeft er van 1884 tot 1929 gewoond en gewerkt. In 1992 werd het museum uitgebreid met een nieuwe vleugel ontworpen door de architect Christian de Portzamparc.
In Montauban wordt Bourdelle geëerd in het Musée Ingres Bourdelle, waar tientallen beelden, bustes, torso's en modellen van de in Montauban geboren Bourdelle worden geëxposeerd.
Werk van Émile-Antoine Bourdelle bevindt zich onder andere ook in de navolgende collecties:
Studie voor het Monumento al General Alvear (Buenos Aires) in de Trammell Crow Center Sculpture Garden in Dallas (Texas)
Prix Bourdelle
In 1959 werd de beeldhouwprijs Prix Bourdelle ingesteld voor internationaal opkomend talent. Een van de eerste laureaten was de Franse beeldhouwer Jean Cardot in 1961.