Bonelli quedó huérfano a temprana edad, viajó por Argel, Túnez, Tánger, Francia e Italia, y marchó a Marruecos. Se instaló en Rabat, donde vivía un tío suyo, aprendió el árabe y trabajó como intérprete del consulado español en Rabat. Volvió a España en 1875 e ingresó en la Academia de Infantería de Toledo, obteniendo el grado de alférez en 1878. Abandonó el ejército en 1882 y emprendió una expedición al interior de Marruecos, atravesando el territorio comprendido entre Fez, Mequinez y Tánger.^[1]​^[2]​

En 1884, comandó una expedición española para tomar la península de Río de Orocomo representante de la Sociedad Española de Africanistas y Colonistas, con dinero conseguido mediante una suscripción de la misma Sociedad. Salió de Tenerife en octubre a bordo de la goleta Ceres para inspeccionar la zona, recorrió la costa atlántica entre el cabo Bojador, Río de Oro y el cabo Blanco y fundó Villa Cisneros. Fundó tres factorías comerciales en la región, situadas en la Bahía del Oeste y la Bahía del Galgo.^[2]​^[3]​^[4]​

En julio de 1885, Bonelli fue nombrado por el rey Alfonso XII para el cargo de nueva creación de Comisario Regio en la costa occidental de África^[5]​ —que después se renombraría como Vicegobernador Político y Militar de Río de Oro—,^[6]​ consiguiendo establecer la paz con las cabilas de la zona.^[7]​

De 1887 a 1890 exploró el golfo de Guinea, la cuenca del río Muni y la isla de Fernando Poo, con el apoyo económico y político del marqués de Comillas. Realizó trabajos topográficos y estudios sobre la naturaleza de la región y sus posibilidades de explotación comercial.^[1]​

En 1913, fue uno de los miembros fundadores de la Liga Africanista Española, de la que fue vicepresidente,^[8]​^[9]​y de la Real Sociedad Geográfica de España. En los últimos años de su vida fue director de la Compañía Comercial Hispano-Africana y miembro de la Real Academia de la Historia.

Fue autor de varias obras literarias sobre sus trabajos en África:^[10]​

• El imperio de Marruecos y su constitución (1882).
• El Sahara (1887).
• Nuevos territorios españoles en África (1887).
• El problema de Marruecos (1910).

• Blanco Vázquez, Luis (2012). «Vestigios del pasado colonial español en Río de Oro (Sáhara Occidental). La línea de Fortines de Villa Cisneros». Hispania Nova: Revista de historia contemporánea (Getafe: Universidad Carlos III de Madrid) (10). ISSN 1138-7319. 
• Fernández Rodríguez, Manuel (1985). España y Marruecos en los primeros años de la Restauración (1875-1894). Madrid: Consejo Superior de Investigaciones Científicas; Centro de Estudios Históricos. ISBN 84-00-06113-6. 
• Ramírez Verdún, Pedro (2005). «Emilio Bonelli Hernando. Teniente Coronel de Infantería». Ejército: de tierra español (774): 109. ISSN 1696-7178. 
• Salom, Julio (2003). «Los orígenes coloniales del Sahara occidental en el marco de la política española». Cuadernos de historia contemporánea (Madrid: Servicio de publicaciones de la Universidad Complutense de Madrid) (n.º extraordinario): 247-272. ISSN 0214-400X. 

•   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Emilio Bonelli.