Estudió violín y composición con Marco Uccellini, jefe de los músicos del Duque de Módena, y se perfeccionó en contrapunto y composición con el padre Agostino Bendinelli da Lucca, en la floreciente escuela de violinistas y compositores. El 19 de febrero de 1662 se casó con Anna Maria Prezii, con la que tuvo ocho hijos, de los cuales sólo dos, Giovanni y Antonio María sobrevivieron y fueron músicos como su padre. Estimado por sus maestros y consciente de sus capacidades (de las que había dado pruebas mediante la composición y publicación en Venecia, en 1666 y 1667, y en Bolonia, en 1669, de sus primeras obras instrumentales), Bononcini debe haber entrado al servicio de los duques d'Este en Módena antes del 21 de marzo de 1671, cuando fue designado violinista de la capilla de la catedral de Módena,, por el interés de la duquesa regente Laura, sucediendo al difunto G. Mazzi y convirtiéndose al mismo tiempo en instrumentista de la orquesta de la corte de Este. En noviembre de 1673, siempre con la protección de la duquesa Laura ganó el puesto de maestro di cappella de la catedral de Módena, en sucesión del titular, el padre M. Agatea, que dejaba la ciudad, y en lugar de G. Colombi, su competidor, entonces jefe de los instrumentistas de la corte y profesor de violín del joven duque Francisco II, que lo había recomendado.

Edición discográfica del "Opus 4" de Giovanni Maria Bononcini

En apoyo de su candidatura, él había citado las ocho obras que compuso antes de 1673: la más importante para el nombramiento fue, sin duda la octava obra, "Musico prattico", un excelente tratado de contrapunto que había anunciado en sus Op. 4 (1671) y Op.6 (1672), en la portada de los cuales por primera vez se calificaba de 'académico filarmónico de Bolonia', un título que se concedía sólo a músicos de renombre por doctrina y genialidad. Antes de la publicación, por el editor G. Monti de Bolonia en 1673, el tratado debe haber tenido amplia circulación manuscrito, poniendo así de manifiesto a Bononcini entre los mejores maestros de la época. El "Musico Prattico", por su contenido, basado en la ciencia clásica del contrapunto del siglo XVI y conforme a los intentos prácticos y estéticos de la Academia Filarmónica de Bolonia, es casi seguro que había sido utilizado como texto de la propia Academia, por lo que, tal vez, así como por los otros méritos de Bononcini, le debía haber conferido el título (no comprobado en documentos, aparte  del frontispicio de las obras).

En los años posteriores Bononcini se dedicó activamente al servicio musical de la capilla, de la corte y a la composición. Son escasos los documentos restantes que le conciernen: el 30 de mayo de 1674 solicitó al capítulo que se restaurara el órgano de la catedral y el 14 de diciembre del mismo año, estando en estado de gran pobreza, dirigió una petición a los conservadores de la ciudad de Módena para obtener el cargo de maestro di cappella también en la iglesia de la Madonna del Voto; esta vez, sin embargo, el cargo fue otorgado a Giuseppe Colombi. En 1675 tuvo una relación difícil con un tal Ippolito Bellini, violinista, ingresado hacía tiempo al servicio de la capilla de la catedral por voluntad de Francesco II, pero inepto: por la ignorancia y la falta de disciplina de este Bononcini finalmente había tenido que solicitar la intervención ante el duque del capítulo de la catedral. En junio de 1677 dirigió en el teatro de la corte el drama de cámara "I primi voli dell'aquila austriaca dal soglio imperiale alla gloria", compuesto por él sobre libreto de V. Carli y dedicado al emperador Leopoldo I de Austria (la obra fue publicada en el mismo año en Módena por D. Digno). El 29 de junio de 1677 murió su esposa Anna Maria, apenas de treinta y cinco años, unos días después de dar a luz a Antonio María: incapaz de cuidar de la familia por los compromisos de su trabajo, Bononcini se vio obligado, el 30 de octubre del mismo año, a contraer un nuevo matrimonio con la hermana del párroco de San Pietro, Barbara Agnese Tosatti. Angustiado y enfermo, continuó, en el mismo año y en el siguiente 1678, componiendo y publicando nuevas obras vocales, mientras que algunas de las anteriores, instrumentales, eran reimpresas. Bononcini murió en Módena, a la edad de 36 años, y una hora después de la muerte nacía su último hijo, a quien se dio su nombre.

Discípulo y continuador de Uccellini, fue el representante más importante de esa escuela violinística en Módena, que floreció a principios de siglo. XVII en la corte de los Este, al lado y primero que la análoga escuela de Bolonia. Una característica esencial del arte de Bononcini es el uso y desarrollo del riguroso contrapunto, no sólo detectable en las sonatas de iglesia, sino también en las obras de cámara, contrapunto libre de todo escolasticismo y siempre rico de expresión. Su predilección por el canon (forma de contrapunto particularmente difícil) está presente en su Op. 1 (1666), y aún más en el Op. 3, en el que aparecen 'algunos cánones eruditos' bastante importantes, de los cuales defendía la autoría, en contra de algunos malévolos y desconocidos críticos que lo habían acusado de haberlos plagiado, tanto en la dedicatoria del Op.4 (1670), como en el inédito "Discorso musicale sopra una composizione datagli per aggiungervi il basso...". Un testimonio de su extraordinaria capacidad técnica constructiva y belleza creativa es ofrecido por la "Sinfonia a quattro che si può sonare ancora al contrario" (en el Op. 5, 1671), una composición que puede ser considerada, por el carácter concertante en que está construida, precursora del cuarteto de cuerdas.

En el campo teórico, no hay que olvidar la gran importancia del "Musico prattico", en la segunda parte del cual son examinadas todas las prácticas del contrapunto y los muchos y complejos argumentos de la teoría antigua (por ejemplo, la formación de tonos), todo expuesto con precisión, brevedad, sin pesadez pedagógica, y elaborado con ductilidad y claridad. Este tratado -aun hoy todavía útil para la buena comprensión de las escrituras a las que se refiere- fue prácticamente válido hasta la aparición del "Gradus ad Parnassum" (1725) de Johann Joseph Fux. En las sonatas de cámara Bononcini dio a la música de danza (necesaria por las exigencias de la corte de Este) una nueva dimensión como música de cámara de refinado interés para atraer la atención del intérprete y del auditor. Además de la introducción de nuevas formas de danza (la giga y la gavota, en el Op. 3), de origen francés, ofrece en sus sonatas de cámara la amalgama de elementos franceses e italianos en todas las danzas y formas de ballet, más particularmente en la corrente, pero también en el aria, en el ballet, en la allemanda, en la sarabanda y en la giga. Hay, pues, la división entre música de baile y música de cámara, como en las obras de Arcangelo Corelli (1681). En cuanto a las composiciones vocales posteriores, Bononcini es apreciado por la variedad de movimientos y amplitud de los estilos y es el primero en utilizar la denominación de 'cantata de cámara'. De gran interés, por su espectacular entorno, son las cantatas "Le querele di Venere sull'ostinato Adone", "Cleopatra moribonda" y "Valeriano in carcere".

La influencia de Bononcini, compositor melódico y rico en gusto y doctrina, no sólo se extendió a Italia, sino también a Inglaterra, donde sus obras, impresas y reimpresas hasta 1720 por J. Walsh, habían sido introducidas probablemente por María Beatrice d'Este (que se casó en 1673 con James, duque de York) y sobre las cuales se puede suponer que quizá Henry Purcell modelára las "Sonate a tre" de 1683. La obra de Giovanni Maria Bononcini, es sobre todo instrumental, en sus Trattenimenti, establece ya claramente una distinción entre los géneros da chiesa y da camera; además, contribuyó a hacer progresar la cantata con voz solista de estilo boloñés, en la que los instrumentos son solicitados constantemente y las partes vocales están dominadas por esquemas instrumentales. Es mejor conocido por sus sonatas de cámara y de iglesia. También compuso cantatas, madrigales, arias, y un "dramma da camera", “I primi voli dell'aquila austriaca” (Modena, 1677; perdido).