Ayrton, sul finire del1993, dichiarò: "Se pensate che io sia bravo, aspettate di vedere mio nipote e capirete realmente quanto sono bravo". Dopo la morte dello zio, la carriera di Bruno subì un brusco stop che rischiò di diventare definitivo quando anche suo padre perì nel1996, in un banale incidente stradale su unaDucati: la voglia di correre tuttavia superò ogni sorta di remora e di timore in famiglia; nel2004, in occasione del 10º anniversario della morte diAyrton, gli fu consegnata una replica dellaLotus 98T guidata dallo zio nel1986; tale vettura fu guidata da Bruno stesso sulla pista diSan Paolo, in occasione delGran Premio del Brasile; il casco utilizzato durante le gare è una replica di quello dello zio. Nel2012 ha vinto ilTrofeo Lorenzo Bandini, assegnato al miglior pilota emergente dellaFormula 1.[1]
Grazie all'aiuto diGerhard Berger, grande amico diAyrton, nel2004 gli fu organizzato un test aValencia per la neonataFormula BMW. Il 21 agosto2004, Bruno era sulla griglia di partenza di tale categoria, sulla pista diBrands Hatch; il suo esordio avviene nel teamCarlin Motorsport col numero 20, con un casco i cui colori grigio, rosso e nero, ricalcavano quelli della vettura. Correndo solo gli ultimi tre appuntamenti della competizione, chiuse 21º in classifica generale con 6 punti, ottenendo il suo miglior piazzamento in gara in sesta posizione e due giri veloci. Col casco che aveva assunto nel frattempo una colorazione uguale a quella dello zio proprio in suo onore,[2] fu contattato dal team Shangsai FRD GT Tires per disputare il prestigiosoGran Premio di Macao diFormula 3; su 33 partecipanti, Bruno ottenne l'8º tempo in qualifica ed il 2º posto in gara.
Nel2005 Bruno disputò il campionato diF3 inglese, a bordo di unaDallara motorizzataMugen-Honda del team Double R Racing Team gestito daKimi Räikkönen e dal suo manager Steve Robertson. I risultati furono piuttosto discontinui; Senna conquistò due podi (un secondo ed un terzo posto) ed una pole, chiudendo in decima posizione il campionato; prese parte nuovamente alGran Premio di Macao diFormula 3, non concludendo però la gara per via di un incidente. Nel2006 continuò a correre inF3 inglese nel team Double R Racing Team, passato nel frattempo alla dotazione di motoriMercedes; dopo una doppia affermazione nella gara inaugurale adOulton Park, Senna rimase in lotta per il titolo per quasi tutta la stagione, chiudendo il campionato 3º con 229 punti, 5 vittorie, 9 podi, 3 pole position e 5 giri veloci. Il 28 maggio fece la sua prima apparizione sulCircuito di Monte Carlo come ospite nella gara della serie Porsche Supercup, ritirandosi alla prima curva per un guasto alla frizione.
Nel2007 Senna passò allaGP2 con il teamArden; la stagione iniziò in modo molto positivo, con un quarto posto nella gara inaugurale inBahrain e una vittoria nella gara lunga nel secondo appuntamento del campionato, aBarcellona. Dopo un ulteriore podio nella gara principale inFrancia, Senna fece segnare una serie di prestazioni poco brillanti, conquistando un solo punto nelle quattro manifestazioni seguenti. Il pilota brasiliano tornò competitivo aMonza, dove conquistò il quarto posto nella gara principale ed il terzo in quella sprint, chiudendo il campionato in ottava posizione con 34 punti. Nel2008 passò al teamiSport International, col quale corse anche nel campionatoGP2 Asia, chiuso in quinta posizione; dopo aver conquistato un secondo e un quarto posto nelle gare inaugurali aBarcellona, inTurchia Senna terminò in quindicesima posizione la gara principale, dovendosi ritirare nella gara sprint per aver investito un cane.[3]
Nella gara seguente, aMontecarlo, Senna conquistò la vittoria nella gara principale nello stesso giorno dell'anno in cui suo zioAyrton aveva vinto per l'ultima volta nel principato,[4] seguirono una seconda affermazione nella gara sprint aSilverstone e diversi piazzamenti a podio ed in zona punti, che permisero al brasiliano di entrare nella lotta per il titolo. Nelle gare diValencia eSpa-Francorchamps, Senna ottenne solamente due punti (frutto della pole position conquistata inBelgio), arrivando quindi all'ultimo appuntamento della stagione con un ritardo di dodici lunghezze daGiorgio Pantano, leader della classifica; aMonza Senna chiuse la gara principale in quinta posizione, risultato insufficiente per tenere aperta la lotta per il campionato nonostante il ritiro del rivale; il pilota brasiliano conquistò il secondo posto in classifica, con 64 punti, due vittorie e tre pole position. Nel2009 Senna tentò di approdare inFormula 1, al volante dellaHonda; tuttavia, il team giapponese fu venduto aRoss Brawn, che gli preferì l'espertoBarrichello. Rimasto a piedi, disputò diverse gare di durata, tra le quali la 1000 km di Catalunya, chiusa sul gradino più basso del podio.
Durante il weekend delGran Premio di Abu Dhabi 2009 fu ufficializzato l'ingaggio di Bruno Senna quale pilota titolare dellaCampos Grand Prix per il campionato2010;[5] la partecipazione al mondiale della scuderia spagnola rimase in dubbio fino a poche settimane prima dell'inizio della stagione, quando il team cambiò proprietà e fu ribattezzatoHRT. La vettura, sviluppata dallaDallara e portata in gara senza effettuare alcun test preparatorio, si rivelò molto poco competitiva, relegando Senna ed il suo compagno di squadraKarun Chandhok stabilmente in fondo al gruppo; i problemi tecnici furono aggravati dalla penuria di pezzi di ricambio, dovuta alla rottura dei rapporti tra la squadra e laDallara. NelGran Premio di Gran Bretagna Senna fu sostituito occasionalmente dal giapponeseSakon Yamamoto;[6] Senna chiuse la stagione senza ottenere punti, con il quattordicesimo posto ottenuto nelGran Premio di Corea come miglior risultato in gara.
Per il campionato2011 l'HRT ingaggiò come piloti titolariNarain Karthikeyan eVitantonio Liuzzi; rimasto senza un volante, Senna firmò un contratto come terzo pilota dellaRenault. In seguito al grave infortunio occorso aRobert Kubica il pilota brasiliano avrebbe potuto ottenere un posto da titolare nella scuderia francese, ma dopo alcuni test gli fu preferito il più espertoNick Heidfeld. Alla vigilia delGran Premio del Belgio Senna fu promosso pilota titolare dalla scuderia transalpina proprio al posto del pilota tedesco; il brasiliano fu quindi al volante dellaRenault anche per la gara successiva, ilGran Premio d'Italia, dove con un nono posto conquistò gli unici punti dell'anno. Fu confermato fino al termine della stagione.[7]
Senna alla guida della sua Williams durante le qualifiche del Gran Premio della Malesia 2012
Il 17 gennaio2012 laWilliams comunicò l'ingaggio di Senna, spinto da diversi sponsor personali, per il campionato2012 come compagno di squadra diPastor Maldonado, in sostituzione del connazionaleRubens Barrichello. La vettura si rivelò piuttosto competitiva, permettendo a Senna di lottare per i punti già dalle prime gare; il pilota brasiliano chiuse per la prima volta tra i primi dieci nelGran Premio della Malesia, nel quale giunse sesto dopo una lunga rimonta dalle ultime posizioni. Nel successivoGran Premio di Cina il pilota brasiliano ottenne un settimo posto al termine di una gara regolare; nel prosieguo della stagione, tuttavia, Senna ebbe difficoltà a ottenere buoni risultati in qualifica, subendo spesso distacchi pesanti dal compagno di squadra e riuscendo ad entrare tra i primi dieci solo nelGran Premio d'Ungheria, chiuso in settima posizione. Nelle altre gare del campionato il pilota brasiliano ottenne altri sette piazzamenti a punti, risultando più costante diMaldonado nel rendimento in gara, ma non andò oltre un ottavo posto nelGran Premio di Abu Dhabi. NelGran Premio del Belgio, concluso in dodicesima posizione, Senna fece segnare il primo giro più veloce in gara in carriera; il pilota brasiliano si piazzò in sedicesima posizione nella classifica piloti, con 31 punti. I risultati piuttosto deludenti ottenuti soprattutto in qualifica spinsero la squadra a non riconfermarlo, preferendogli il collaudatoreValtteri Bottas per il campionato2013.
Terminata l'esperienza nella massima serie automobilistica, nel2013 passa nel mondialeEndurance con il teamAston Martin Racing, con il quale ottiene due vittorie (alla6 Ore di Silverstone e adAustin) e due secondi posti (aSpa-Francorchamps e alFuji) come migliori risultati; nello stesso anno partecipa anche a quattro gare del campionato Blancpain Endurance Series con il team Von Ryan Racing. Nel2014, sempre con l'Aston Martin, prende parte a due gare dello stesso campionato, tra cui la24 Ore di Le Mans. Dalla stagione2014-2015 alla stagione2015-2016 partecipa al neonato campionato diFormula E con il teamMahindra Racing. Dal2016 ritorna a gareggiare nelWEC con il team Morand Racing.