Bergius war bis 1907 Volontär in einem Laboratorium eines Hüttenbetriebes in Mühlheim (Ruhr). Im selben Jahr promovierte er. Von 1907 bis 1910 war er Assistent bei Walther H. Nernst in Berlin und Fritz Haber in Karlsruhe. Im Jahre 1913 habilitierte er sich an der Technischen Hochschule Hannover und war anschließend dort Privatdozent. 1913 erhielt er das Patent über ein Verfahren zur direkten Kohlehydrierung, das ab 1926 einschließlich der Verbesserungen von M. Pier auch technisch durchgeführt werden konnte. Ab 1925 arbeitete Bergius an der Holzverzuckerung. Das Verfahren zur Benzinsynthese wurde nach ihm das "Bergius-Verfahren" genannt. 1931 erhielt er mit Carl Bosch den Nobelpreis für Chemie. Nach 1945 war er wissenschaftlicher Berater der Nationalen Brennstoff-Direktion bei der Regierung in Argentinien.