Bouguereau niechętnie porzucił studia, by powrócić do rodziny, która znalazła się w Bordeaux. Tam poznał miejscowego artystę Charlesa Marionneau i rozpoczął naukę w Miejskiej Szkole Rysunku i Malarstwa w listopadzie 1841 roku. Wkrótce stał się najlepszym uczniem w swojej klasie i zdecydował o kontynuowaniu kariery artystycznej w Paryżu. Dla sfinansowania tego zamiaru sprzedawał portrety – 33 obrazy olejne w ciągu trzech miesięcy (wszystkie niepodpisane, odnaleziono tylko jeden). Do Paryża przybył w wieku 20 lat w marcu 1846 roku.
Studiował w paryskiej École des Beaux-Arts. W 1850 otrzymał nagrodę Prix de Rome wraz z trzyletnim pobytem w rzymskiej Villa Medici, gdzie oprócz nauczania formalnego mógł studiować bezpośrednio dorobek artystów renesansu wraz z ich arcydziełami, a także zabytki sztuki greckiej, etruskiej i rzymskiej.
Od lat sześćdziesiątych XIX wieku Bouguereau był ściśle związany z Académie Julian, gdzie udzielał lekcji i porad studentom sztuki z całego świata. Przez kilkadziesiąt lat uczył rysunku i malarstwa setki, jeśli nie tysiące studentów. Otrzymał wiele wyróżnień, m.in. w 1876 r. został dożywotnim członkiem Akademii, a w 1885 r. otrzymał Wielki Medal Honorowy.