Han fikk sin utdannelse i Wien, og som instruktør ved Christiania Theater fornyet han både repertoar og spillestil. Han ønsket en realistisk menneskeskildring i stedet for deklamasjonen som hadde vært vanlig til da. Etableringen og byggingen av Nationaltheatret var for en stor del
Bjørnsons verk. Han var sjef der fra åpningen i 1899 til 1907, og igjen fra 1923 til 1927. Selv spilte han roller som Peer Gynt og Sigurd Slembe, og han skrev flere skuespill, deriblant <Johanne>. Bjørnson er gravlagt sammen med sin tredje kone Eileen, født Cohn (1884–1944).