Nascido em Macaé, Bruno Fratus mudou-se ainda criança para o Nordeste onde cresceu, vivendo em diferentes cidades como Mossoró, Natal e Salvador. Foi no Nordeste que começou a nadar e competir, mudando-se aos 17 anos para São Paulo onde foi treinar com Alberto Pinto no Esporte Clube Pinheiros. Na época já era considerado como um promissor velocista e no clube paulista também dividiu raia como o então melhor do mundo Cesar Cielo, que na época dividia-se entre o Pinheiros e Auburn.

Em 2010 fez sua estreia pela seleção brasileira absoluta nadando o Campeonato Pan-Pacífico de Irvine e terminando em quarto lugar nos 50m livre apenas quatro centésimos do pódio. No ano seguinte chamou a atenção mundial ao ser finalista nos 50m livre no Campeonato Mundial de Xangai quando passou para a final com o melhor tempo. Na final piorou um pouco e acabou na quinta colocação, mas motivado por estar dentro do grupo dos melhores do mundo.

No ano seguinte disputou sua primeira Olimpíada e ficou a apenas dois centésimos da medalha de bronze nos 50m livre em quarto lugar nos Jogos Olímpicos de Londres-2012. Após os Jogos revelou que ficou bastante chateado pelo resultado, mas que foi ali que a ficha caiu e que ele se tocou que poderia ser medalhista olímpico. Em seguida resolveu mudar. Deixou São Paulo e mudou-se para Auburn onde iniciou sua parceria com Brett Hawke, antigo técnico de Cesar Cielo.

Após uma cirurgia no ombro em 2013, que lhe tirou do Mundial de Barcelona, passou a registrar marcas expressivas nos 50m livre e colecionou medalhas como o ouro no Pan-Pacífico de Gold Coast-2014, a prata nos Jogos Pan-Americanos de Toronto-2015 e o bronze no Mundial de Kazan-2015. No ano seguinte sofreu o maior baque de sua carreira: ficou fora do pódio nos 50m livre nos Jogos Olímpicos. Com dores nas costas nadou no sacrifício, mas não foi o suficiente para conquistar a tão sonhada medalha.

Porém, deu a volta por cima um ano depois no Campeonato Mundial de Budapeste quando conquistou duas medalhas de prata: uma nos 50m livre, com sua melhor marca pessoal, e outra com revezamento 4x100m livre após uma épica batalha contra o time americano. Em 2018 operou novamente o ombro e voltou muito bem na temporada 2019, ganhando novamente uma medalha de prata no Mundial de Gwangju e sagrando-se campeão pan-americano dos 50m livre pela primeira vez.

Atualmente Bruno Fratus é treinado pela esposa, a ex-nadadora olímpica Michelle Lenhardt, em Coral Springs, na Flórida. Em 2018 bateu um recorde ao tornar-se o atleta que mais vezes nadou a prova dos 50m livre abaixo dos 22 segundos em todos os tempos. Hoje é um dos melhores velocistas do mundo, cotadíssimo para ir ao pódio em Tóquio-2020 e finalmente conquistar a tão sonhada medalha olímpica que já lhe escapou duas vezes.