Сын революционера А. О. Бонч-Осмоловского. В 1924 году впервые в СССР Бонч-Осмоловский обнаружил в гроте Киик-Коба (Крым) остатки неандертальского человека. В работах учёного доказывалась преемственная связь культуры и физического типа человека раннего палеолита. Бонч-Осмоловским также была выдвинута идея о переходе предков человека от древесного к наземному образу жизни задолго до превращения обезьяны в человека.