Bolden studeerde in 1964 af aan de C.A. Johnson High School in Columbia (South Carolina), waar zijn vader de voetbalcoach was. Hij behaalde een 'Bachelor of Science'-diploma in elektrische wetenschappen van de United States Naval Academy in 1968, en een 'Master of Science' in systeembeheer van de University of Southern California in 1977. Bolden is lid van het Omega Psi Phi-broederschap.
In 1968 studeerde Bolden af aan de United States Naval Academy. Daarna werd hij marinevlieger en testpiloot. Na zijn dienst als astronaut kreeg hij de titel 'Deputy Commandant of Midshipmen at the Naval Academy'.
Als astronaut vloog Bolden op vier spaceshuttlemissies waarbij hij twee keer piloot was en tweemaal gezagvoerder.
Op 23 mei2009 werd Bolden door Barack Obama genomineerd als de volgende NASA-directeur. Tegelijk werd Lori Garver genomineerd als plaatsvervangend NASA-directeur. Op 15 juli2009 werd Bolden officieel in zijn nieuwe functie bevestigd door de Senaat. Hij is de eerste Afro-Amerikaanse directeur van een agentschap op permanente basis.