Bruno Senna Lalli est le fils de Viviane Senna, la sœur d'Ayrton, et de l'Italien Flavio Lalli.

Dès l'âge de huit ans, le jeune garçon rêve de suivre les traces de son oncle. Il affronte d'ailleurs régulièrement ce dernier lors de courses de karting organisées dans la ferme familiale. Ce dernier trouve son neveu extrêmement prometteur, au point de déclarer à la presse, en 1993 : « Si vous me croyez rapide, attendez d'avoir vu mon neveu Bruno. » Le 1er mai 1994, lors du Grand Prix de Saint-Marin à Imola, Ayrton perd la vie. Viviane interdit alors à son fils de faire carrière dans le sport automobile. Bruno ne touche pas un volant pendant dix ans. En 1996, il est de nouveau frappé par le deuil avec le décès de son père dans un accident de moto.

Ce n'est qu'en 2004, soit dix ans après la mort de son oncle, qu'il peut entamer sa carrière dans le sport automobile. Il a alors 21 ans, ce qui est tardif pour débuter. Il dispute alors les deux dernières courses du championnat britannique de Formule BMW et se classe sixième. Il participe également à la course de Macao sur une Formule Renault 2.0 et termine brillamment deuxième. Le moment le plus émouvant de cette année a lieu à Interlagos, à l'occasion du Grand Prix du Brésil, lorsqu'il effectue quelques tours de piste au volant d'une Lotus 98T ayant appartenu à Ayrton Senna en 1986.

En 2005, il fait ses débuts dans le championnat britannique de Formule 3 au sein de l'écurie RR Racing, propriété de Kimi Räikkönen et Steve Robertson. Il se montre régulier et obtient quelques podiums, ce qui lui vaut une dixième place au classement final plutôt satisfaisante. Sa saison est surtout marquée par un accident impressionnant dont il est victime à Snetterton, mais dont il s'en sort heureusement indemne. Début 2006, il dispute quatre manches de F3 en ouverture du Grand Prix d'Australie de Formule 1 et remporte trois victoires. En F3, toujours avec RR Racing, il remporte cinq victoires, dont deux sous la pluie à Oulton Park, et termine troisième du championnat.

En 2007, le Brésilien passe en GP2, la dernière marche avant la Formule 1. Il est engagé par la prestigieuse équipe néerlandaise Arden. En mai, il décroche sa première victoire à Barcelone, devant Timo Glock et Lucas di Grassi. Il monte ensuite plusieurs fois sur le podium et termine le championnat à la huitième place. En 2008, il rejoint l'équipe iSport International. Au cours de l'hiver, il participe au championnat GP2 Asia et termine cinquième, avec notamment deux deuxièmes places. Pendant la saison régulière, il se bat pour le titre contre Giorgio Pantano. Le 23 mai, il remporte la course de Monaco, soit quinze ans jour pour jour après la dernière victoire de son oncle sur ce circuit. Il l'emporte également à Silverstone et monte à plusieurs reprises sur le podium. Toutefois, une fin de saison médiocre l'oblige à s'incliner devant Pantano. Il termine tout de même vice-champion, après avoir dominé son coéquipier, l'Indien Karun Chandhok.

Fin 2008, il semble tout proche d'obtenir un volant en Formule 1. Il est en effet courtisé par les écuries Honda et Toro Rosso, pour lesquelles il effectue des essais. Honda décide de l'engager pour la saison 2009, au détriment du vétéran Rubens Barrichello. Cependant, le constructeur japonais annonce soudainement son retrait de la Formule 1. L'équipe est ensuite reprise par Ross Brawn, qui ne le veut pas et reconduit Barrichello. Bruno tente alors de se recaser chez Toro Rosso, mais l'écurie italienne décide également de reconduire son pilote titulaire, Sébastien Bourdais.

Ne disposant pas de volant en monoplace pour 2009, il envisage un temps de piloter une Mercedes en DTM. Finalement, il se tourne vers l'endurance et rejoint l'écurie française Oreca pour le championnat Le Mans Series. Avec une voiture largement dépassée par les Audi et les Peugeot, il parvient tout de même, aux côtés de Stéphane Ortelli, à monter deux fois sur le podium, lors des 1 000 km de Barcelone et des 1 000 km d'Algarve. Il court ses premières 24 Heures du Mans aux côtés d'Ortelli et de Tiago Monteiro, mais ne voit pas l'arrivée.

Fin 2009, Bruno se remet en quête d'un volant en Formule 1. En novembre, il conclut un accord avec l'une des nouvelles écuries, l'équipe espagnole Campos Meta. Compte tenu de la faiblesse des finances de cette dernière, le Brésilien accepte de ne toucher aucun salaire, voire de payer pour avoir une place. Cependant, au cœur de l'hiver, l'écurie rencontre de graves difficultés financières, ce qui rend sa participation au championnat du monde 2010 très hypothétique. In extremis, Campos trouve un repreneur fin février en la personne de José Ramón Carabante, qui rachète l'équipe et la renomme Hispania Racing Team. Bruno se voit adjoindre comme équipier Karun Chandhok, qu'il a déjà côtoyé deux ans plus tôt en GP2.

En F1 avec HRT

Le 4 mars 2010, la Dallara HRT-Cosworth est présentée au public, soit moins de deux semaines avant le début de la saison. Mais sa tâche s'annonce extrêmement ardue, car il doit prendre le départ de la première course à Bahreïn au volant d'une monoplace qui n'a jamais roulé auparavant. Cette épreuve est un cauchemar pour lui, puisqu'il ne couvre que quelques tours lors des qualifications avant d'abandonner au bout de vingt tours. Si la HRT réalise quelques progrès, elle reste toute l'année la monoplace la plus lente du plateau. Bruno ne peut évidemment pas faire de miracle à son volant, mais ses performances restent médiocres dans l'ensemble et il a beaucoup de mal à dominer Chandhok. En juillet, lors du Grand Prix de Grande-Bretagne, il est brusquement mis à pied pour une course et remplacé par le Japonais Sakon Yamamoto, grâce aux millions de dollars que ce dernier a apportés. Il retrouve sa place au Grand Prix d'Allemagne, aux côtés de Yamamoto, Chandhok ayant été écarté pour des raisons financières. La deuxième partie de la saison est un peu meilleure, puisqu'il franchit plus souvent la ligne d'arrivée et domine sans trop de difficulté Yamamoto. Mais au Grand Prix de Singapour, il subit une humiliation cuisante. Yamamoto est en effet remplacé pour cette course par Christian Klien, qui a déjà piloté en F1, mais qui connaît mal la HRT et pas du tout le circuit. Ce qui n'empêche pas Klien de malmener Bruno tout le week-end, le devançant de plus d'une seconde en qualifications ! En course, le Brésilien finit piteusement dans le mur alors qu'il se trouvait derrière Klien. L'Autrichien revient disputer les deux dernières courses de la saison et le devance encore au Brésil, avant que ce dernier ne se rattrape à Abu Dhabi. Au final, le bilan de sa première saison en Formule 1 est très médiocre. Non seulement il n'a pas inscrit le moindre point, mais la comparaison avec ses coéquipiers n'est pas très flatteuse. Son contrat n'étant pas reconduit, il tente sans succès de trouver un volant chez l'équipe malaisienne Lotus, puis doit se rendre à l'évidence : il ne sera pas titulaire en 2011.

Renault

Néanmoins, il obtient finalement le poste de pilote de réserve chez Lotus Renault Grand Prix, en concurrence avec Romain Grosjean. Toutefois, les piètres performances de Nick Heidfeld, qui n'est pas parvenu à dominer Petrov, lui donnent une seconde chance. Fin août, Heidfeld est renvoyé par le directeur de l'équipe, Éric Boullier, qui nomme Bruno numéro deux jusqu'à la fin de la saison. Il fait ses débuts à Spa-Francorchamps et se qualifie brillamment en septième position après une séance de qualifications disputée sous la pluie. Cependant, lors de la course, il percute Jaime Alguersuari dès le premier virage. Deux semaines plus tard, à Monza, il est pris dans le carambolage causé par Vitantonio Liuzzi au premier virage, mais il remonte du fond du peloton jusqu'à la neuvième place. Il marque ainsi ses deux premiers points en Formule 1. Malheureusement, la suite n'est pas du même acabit, car il est constamment malmené par Petrov. Sa campagne asiatique est très médiocre et il ne parvient jamais à marquer de nouveaux points. Il n'est évidemment pas aidé par une voiture très rétive, mais la concurrence de Grosjean, nouveau champion de GP2, va lui être fatale. Sa seule satisfaction est d'avoir terminé les huit courses auxquelles il a pris part. Mais cela ne suffit évidemment pas à Boullier, qui choisit de le remplacer par Grosjean pour la saison 2012.

Williams

Malgré tout, Bruno reste un pilote séduisant grâce à ses sponsors. Il devient alors une proie de choix pour l'équipe Williams, en difficulté financière. Et puis, un Senna pilotant une Williams-Renault, dix-huit ans après... Comment ne pas songer à Ayrton ? En janvier 2012, Williams annonce ainsi son engagement aux côtés d'un autre pilote payant, le Vénézuélien Pastor Maldonado, déjà présent en 2011. Dès la première course, en Australie, il est contraint à l'abandon après une collision avec Felipe Massa. Cette entrée en matière difficile marque néanmoins le début d'une saison durant laquelle le jeune pilote doit faire ses preuves face à la pression d'un nom mythique et aux attentes de l'écurie. La deuxième manche, en Malaisie, lui offre une belle opportunité : il termine sixième et marque ses premiers points pour Williams, une performance qui lui permet d'aborder la Chine avec davantage de confiance. Il réalise une prestation solide et termine septième, confirmant ainsi un début de saison prometteur, malgré le contexte complexe. Mais la suite est plus mitigée : deux abandons successifs freinent son élan, tandis que Maldonado remporte une victoire inattendue en Espagne. Il parvient à marquer des points à Monaco avec une dixième place, puis obtient le même résultat au Grand Prix d'Europe. L'été est marqué par une certaine régularité. A Silverstone, il achève la course à la neuvième place, puis se hisse à la septième place en Hongrie, signant ainsi l'un de ses meilleurs résultats de la saison. A Spa-Francorchamps, il réalise le meilleur tour en course, mais ne termine que douzième. Il marque son dernier point de la saison en Italie, avec une dixième place. Tout au long de la saison, il a fait preuve d'une constance appréciable malgré une monoplace peu compétitive. Il termine le championnat à la seizième place, juste derrière son coéquipier. Il n'est pas conservé pour la saison 2013, bien qu'il soit soutenu par plusieurs sponsors. Son profil n'est plus jugé prioritaire face à l'opportunité de promouvoir Valtteri Bottas, d'autant que les résultats espérés n'ont pas été atteints.

L'après F1

Il se tourne ensuite vers les courses et rejoint Aston Martin pour disputer le Championnat du monde d'endurance (WEC) dans la catégorie GTE Pro. Il s'impose dès son premier rendez-vous, aux 6 Heures de Silverstone, et renouvelle l'exploit aux 6 Heures du Circuit des Amériques. Lors des 24 Heures du Mans, la même année, son équipe, bien placée après avoir signé la pole position, doit abandonner à la suite d'un accident survenu à cinq heures de l'arrivée.

En 2014, Bruno fait partie du premier plateau de la Formule E, un championnat de monoplaces électriques, avec l'équipe Mahindra Racing. Il y retrouve Karun Chandhok, son ancien coéquipier en Formule 1. Malgré une voiture rarement en mesure de jouer les premiers rôles, il termine dixième du championnat lors de la saison inaugurale, un résultat notable alors que la discipline cherche encore ses marques. Parallèlement à la Formule E, il travaille comme pilote de développement pour McLaren en GT.

Il quitte la Formule E à l'issue de la saison 2015-2016, puis se concentre à nouveau sur l'endurance. En 2017, il décroche un titre majeur : le championnat du monde WEC dans la catégorie LMP2 avec Rebellion Racing, aux côtés de Julien Canal. En 2020, toujours avec Rebellion, il monte sur la deuxième marche du podium des 24 Heures du Mans, un aboutissement symbolique pour un pilote qui avait déjà failli briller lors de cette classique.

En 2022, il élargit son champ d'action en s'associant à Airspeeder, un projet de championnat de voitures volantes baptisé EXA Series. Ce choix témoigne de son intérêt pour l'innovation et les nouvelles formes de compétition alliant technologie et mobilité.