Dopo aver ottenuto la laurea in ingegneria insegnò all'Università di Pisa, ma la passione per l'auto fu talmente forte che nel 1954 lasciò la didattica per entrare a far parte dell'ufficio esperienze dell'Alfa Romeo. L'esperienza con l'azienda milanese fu breve e tre anni dopo passò già alla Ferrari. Lavorò alla Ferrari 250 Testa Rossa dodici cilindri 3 litri, alla Testa Rossa 500 Mondial 2 litri, alle varie versioni della Ferrari 250 (250 GT SWB, 250 Spider California, 250 GTO). In quegli anni nacque il sodalizio tecnico tra Bizzarrini e l'ingegner Carlo Chiti: un'amicizia favorita dalla corregionalità che, nel 1961, portò entrambi a lasciare la Ferrari per fondare, con il conte Giovanni Volpi di Misurata, la Automobili Turismo e Sport. L'ATS SpA ebbe però vita breve perché mentre Chiti si occupava di una monoposto di Formula 1, Bizzarrini in quello stesso anno preferì dar vita a Livorno ad una società battezzata Autostar, con lo scopo di progettare nuovi motori.
Nel 1964 fondò la Prototipi Bizzarrini che diventò Bizzarrini s.p.a. nel 1966, cominciando a produrre quella che fu una delle più potenti e veloci Gt italiane degli anni 60: la Bizzarrini 5300 GT Strada, capace di toccare i 280 km/h. Tuttavia nel 1969 la produzione della 5300 GT Strada cessò dopo appena 133 esemplari. L'attività fu chiusa e con essa Bizzarrini chiuse anche la sua professione di imprenditore (il marchio sarà ripreso nel 1998 da una nuova azienda). Da quel momento prestò la sua opera come consulente di aziende automobilistiche, collaborando alla progettazione di alcuni prototipi come il BZ 2001 (spider su meccanica Ferrari), ma per vari motivi, nonostante l'attualità della macchina, il progetto non decollò.
Il 23 ottobre 2012 gli venne conferita la Laurea Magistrale honoris causa in Design, presso la nuova sede di Calenzano (FI), inaugurata il giorno stesso.
