Sohn eines pommerschen Vaters und einer lothringischen Mutter. Nach Jugend im Elsaß Studium in München, Schüler, Assistent (1902) und schließlich Nachfolger (1908) des genialen Lehrers und Baumeisters Theodor Fischer in Stuttgart.

Mit markanten Bauten: Stadthalle Hannover (1911), Hauptbahnhof Stuttgart (Baubeginn 1914, Fertigstellung 1928), Stumm-Haus in Düsseldorf setzte Bonatz neue Maßstäbe für Sachbauten und materialgerechtes, phantasievolles Bauen. Als Lehrer hochverehrt wurde "Paul Bonatz und seine Schüler" zum Qualitätsbegriff. Beim Neckarkanal und bei großen Brückenbauten am Rhein und an den Autobahnen wirkte er in beispielhafter Zusammenarbeit mit den Ingenieuren neugestaltend mit. 

Ab 1943 als Berater in der Türkei wurde er 1946 mit 69 Jahren o. Professor an der Technischen Universität Istanbul mit weitreichendem Einfluß auf seine Studenten. Bau der Staatsoper in Ankara, Projekt einer Brücke über den Bosporus. 1954 nach Stuttgart zurückgekehrt, übernahm er die Planung für den Wiederaufbau des Kunstgebäudes von Theodor Fischer.

Bonatz war ein europäischer begnadeter Lehrer, ein brillanter, französisch geschulter Geist, ein kultivierter, gebildeter Architekt. Eine unübersehbare Schar von Freunden gab ihm 1956 das letzte Geleit.