Nacque a Ferrara il 27 marzo 1668, figlio del tragediografo Ippolito e di Lucrezia Pio di Savoia. Tra i suoi avi figura il cardinale Guido Bentivoglio e fu, questa, una discendenza che lo aiutò nella carriera ecclesiastica.

Nel 1712 fu nunzio apostolico a Parigi; in quella sede si oppose fermamente al giansenismo e ai suoi seguaci – il Quesnel in particolare -, finché il duro scontro divenne problematico e convinse il pontefice Clemente XI a richiamarlo in patria.

Papa Clemente XI lo elevò alla dignità cardinalizia nel concistoro del 29 novembre 1719.

Si dedicò sin da giovane alla composizione di poesie. Al 1692 risale « un oratorio secentesco sonoro e pomposo », La vita trionfante della morte, e copiosa fu la produzione di sonetti e odi. Tradusse in prosa una tragedia di Corneille, la Pulchérie, ma la sua fama è principalmente legata alla celebre versione poetica della Tebaide di Stazio, pubblicata tre anni prima della morte.

Nel 1726 Bentivoglio aveva preso sotto la sua protezione il giovane poeta Carlo Innocenzo Frugoni, e fu opinione diffusa, per molto tempo e in virtù dello stile utilizzato, che proprio quest’ultimo avesse tradotto i versi di Stazio. In realtà, come spiega Carlo Calcaterra, « non già il Frugoni fu maestro al Bentivoglio di frugonianismo, ma il Bentivoglio al Frugoni ». I versi della Tebaide, al pari delle poesie bentivogliesche, rivelano l’influsso della Gerusalemme liberata.

Morì il 30 dicembre 1732 all’età di 64 anni.