Il entre en 1830 au collège militaire de La Flèche, puis est reçu à Saint-Cyr. Nommé sous-lieutenant, il prend part à la conquête de l'Algérie. En 1845, Louis-Philippe en fait son aide de camp mais Bugeaud, gouverneur d'Algérie, le réclame pour lui confier le Bureau arabe de Blida. En 1857 il est nommé général de division, et commande à Lyon en 1859
En 1865, Napoléon III fait de Bourbaki son aide de camp. Lorsque le conflit franco-allemand éclate, l'empereur lui confie le commandement de la Garde impériale. Il offre ses services à Léon Gambetta et reçoit le commandement de l'armée du Nord, mais il est destitué le 10 novembre et transféré à l'armée de la Loire.
En juillet 1871 Bourbaki devient gouverneur militaire de Lyon. En 1881, du fait de ses opinions politiques, il est placé dans le cadre de réserve.