Waldemar Bonsels wird am 21. Februar 1880 in Ahrensburg in Holstein geboren. Sein Vater Reinhold Bonsels betreibt dort bis 1884 eine Apotheke, nimmt dann ein Studium der Zahnmedizin in Berlin auf und praktiziert von 1890 bis 1897 in Kiel, wo Waldemar das Gymnasium besucht. Mit 17 Jahren bricht er die Schule ab. Mittlerweile ist der Vater bei den Bodelschwinghschen Anstalten in Bethel beschäftigt und Waldemar Bonsels macht im nahegelegenen Bielefeld eine kaufmännische Ausbildung. Von 1900 bis 1902 ist er in seinem erlernten Beruf bei einer Karlsruher Druckerei angestellt.

In Bethel, Basel und England erhält Waldemar Bonsels eine zusätzliche Ausbildung zum Missionskaufmann und geht für die Basler Mission in den Jahren 1903 und 1904 nach Ostindien. Aus Indien zurück gründet er in München mit Hans Brandenburg, Bernd Isemann und Carl Strauss den E.W. Bonsels und Co. Verlag. Dieser publiziert Bonsels erste Veröffentlichung, den offenen Brief Mein Austritt aus der Baseler Missions-Industrie und seine Gründe (1904). In den folgenden Jahren schreibt er für diesen Verlag Bücher, die kaum einer mehr kennt, Ave vita morituri te salutant (1906) und Kyrie eleison (1908). 1906 heiratet er die Schwester Hans Brandenburgs, Klara Brandenburg, von der er sich nach der Geburt des zweiten Kindes wieder trennt. Mit seiner zweiten Frau Elise Ostermeyer und den gemeinsamen Kindern zieht er 1910 in das Haus seines Mitverlegers Bernd Isemann in Schleißheim, wo er von nun an lebt und arbeitet.

1912 erscheint Bonsels' großer Welterfolg, das Kinderbuch Die Biene Maja und ihre Abenteuer. In 41 Sprachen übersetzt, bringt es dem Autor weite Anerkennung und Wohlstand. Im gleichen Jahr zieht sich der Erfolgsautor aus dem nach ihm benannten Verlag zurück. Der 1916 erschienene, von seinem Aufenthalt in Ostindien inspirierte Reisebericht Indienfahrt wird in Deutschland als Volksausgabe aufgelegt und in den USA als deutsches Lesebuch an den Universitäten eingeführt.

Im Ersten Weltkrieg hält sich Waldemar Bonsels als Kriegsberichterstatter in Galizien und im Baltikum auf. 1918 läßt er sich in Ambach am Starnberger See nieder, wo er fast die Hälfte seines Lebens verbringt; seine Frau Elise läßt er mit den Kindern zurück, und die Ehe wird geschieden.

Als einer der meistgelesenen Autoren der 1920er-Jahre kann Bonsels in schneller Folge zahlreiche Bücher veröffentlichen, darunter Eros und die Evangelien. Aus den Notizen eines Vagabunden (1921), die Fortsetzung Narren und Helden. Aus den Notizen eines Vagabunden (1923), Der Wanderer zwischen Staub und Sternen (1926) und den ersten Band seiner Kinderbuch-Trilogie Mario und die Tiere (1928). Erfolgreich werden ebenso seine Autobiografie Tage der Kindheit (1931) sowie der Amerikabericht Der Reiter in der Wüste (1935).

1933 werden Waldemar Bonsels' Bücher auf den Index gesetzt. Mit Hilfe seines Jugendfreundes Hanns Johst, mittlerweile Präsident der Reichsschrifttumskammer, wird Bonsels jedoch in die Kammer aufgenommen und kann ab 1935 wieder publizieren. Es folgen die Bücher Marios Heimkehr (1937), Die Reise um das Herz (1938) und Begegnungen (1940). Der Grieche Dositos. Ein mythischer Bericht aus der Zeitenwende läßt Bonsels als Privatdruck in 100 Exemplaren an ranghohe Nationalsozialisten verteilen. Ein Vorwort unterstreicht das antisemitische Gepräge des Christus-Romans.

Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs hat Bonsels zunächst Publikationsverbot, danach erscheinen Mortimer. Der Getriebene der dunklen Pflicht (1946), Runen und Wahrzeichen (1947) und Gott und Natur im Menschenherzen (1948). Dositos wird von ihm überarbeitet und 1948 veröffentlicht. 1952 benennt er das Buch für eine Neuauflage in Das vergessene Licht um.

1948 erkrankt Waldemar Bonsels an einem Lymphknotentumor und heiratet seine langjährige Lebensgefährtin Rosemarie Bachofen. Der Schriftsteller stirbt am 31. Juli 1952 in Ambach nach langer Krankheit. Sein Grabmal befindet sich auf dem Grundstück am Ostufer des Starnberger Sees.