Ngay từ thuở nhỏ, Bùi Văn Dị đã có tư chất thông minh, có trí nhớ tốt. Năm 13 tuổi đã vượt qua kỳ thi khảo hàng xứ để dự thi Hương. Hai khoa thi Hương năm 1850 và 1 852, ông đều thi đỗ tú tài khi mới 18 tuổi và 20 tuổi. Năm 1855, ông 23 tuổi, thi đỗ cử nhân. Năm Ất Sửu (1865) ông vào Huế dự khoa thi tiến sĩ, đỗ thứ tư, hạng trúng cách. Song vào thi Đình lại bị trượt, nên chỉ xếp đỗ Phó bảng cùng với người em họ con ông chú ruột là Bùi Văn Quế.

   Ông lần lượt được bổ làm Tri phủ các huyện Lang Tài, Việt Yên, Yên Dũng tỉnh Bắc Ninh. Được một thời gian ông về cư tang. Năm 1871, các đại thần Bùi Tuấn, Nguyễn Tư Giản vốn biết tài ông, tiến cử ông thăng Án sát Ninh Bình, sau ông vào Nội các.

   Năm 1873, quân Pháp đánh chiếm Bắc Kỳ lần thứ nhất, Tự Đức cử ông cùng Nguyễn Trọng Hợp, Nguyễn Thượng Phiên ra xử lý các vụ Pháp chiếm bốn tỉnh thành ở Bắc Kỳ. Ông được triều đình cử làm Án sát Ninh Bình. Sau ông được về kinh thăng hàm Quang lộc Tự khanh, làm việc ở Nội các. Ông học vị không cao nhưng nổi tiếng về tài văn chương, nên vẫn được đề cử làm quan Duyệt quyển.

   Năm 1876 ông được cử làm Chánh sứ đi sứ nhà Thanh. Ông dẫn đầu sứ bộ hoàn thành nhiệm vụ. Các quan lại nhà Thanh đánh giá ông rất cao.

   Cuối năm 1878, ông lại được sung vào Nội các. Cũng năm đó ông được duyệt quyển thi Hội, thi Đình lần thứ hai. Theo quan chế của triều đình, dùng quan ở Nội các không đặt quan nhị phẩm, song vì ông có nhiều công lao, được giao thêm chức quyền Tham tri bộ Lại để chính thức phẩm trật.

   Năm 1881, ông làm Đại thần của quản lý nha Thương bạc, là cơ quan chuyên trách việc giao thiệp với Pháp và trông nom các thuyền luôn qua lại.

   Tháng 4 năm 1882 , Henri Rivière hạ thành Hà Nội lần thứ hai, Tổng đốc Hoàng Diệu tuẫn tiết. Giặc Pháp được một số giáo dân phản động và giáo dân được quân Pháp huấn luyện, trang bị vũ khí như Tạ Văn Phụng, giúp sức đánh chiếm các tỉnh Bắc Kỳ, Bùi Văn Dị dâng sớ đề nghị triều đình kiên quyết chống đánh. Ông được triều đình cử giữ chức Khâm sai phó Kinh lược sứ Bắc Kỳ, ông vẫn dẫn một đội quân nhỏ đi kiểm tra các tỉnh. ông tổ chức các cuộc tấn công giặc, phòng thủ không cho giặc lấn chiếm các vùng chung quanh tỉnh thành.

   Khi Henri Rivière đem quân di Nam Định, Bùi Vãn Dị Khâm sai phó kinh lược sứ Bắc Kỳ và Trương Quang Đản Tổng đốc Ninh – Thái (Trương Quang Đản là con trai Trương Đăng Quế sau về làm Tuần phủ Quảng Trị cùng với em trai là Trương Văn Để tham tri bộ Binh, người phái chủ chiến mà Tôn Thất Thuyết tin cậy đã đầu hàng Pháp, hai anh em đưa Tam cung về Huế và còn dẫn quân đi đón bắt vua Hàm Nghi theo lệnh của quân Pháp). , kéo quân về Gia Lâm, Văn Giang đối diện với đồn Thủy để chống đánh quân Pháp. Trong khi đó thì Hoàng Kế Viêm chỉ huy quân thứ Sơn Tây cùng tướng Cờ đen Lưu Vĩnh Phúc kéo quân về đóng ở Hoài Đức, Từ Liêm. Quân Pháp bị hai gọng kìm phía Bắc (Gia Lâm) và phía Tây (Hoài Đức, Từ Liêm) kẹp lại. Tên Đại tá Béc tơ đờ Vile, kẻ thay Henri Rivière giữ thành Hà Nội thấy rõ mối nguy hiểm của hai cánh quân Bắc Ninh và Sơn Tây. Ngày 18/3/1883 hắn cho tầu vượt sông Hồng tấn công các làng ven sông như Gia Quất, Thượng Cát, Ngọc Lâm ở Gia Lâm. Bùi Văn Dị trực tiếp chỉ huy quan quân chặn đánh quyết liệt, làm chết và bị thương hơn 30 tên, số còn lại hốt hoảng chạy xuống tầu về Đồn Thủy. Sau trận này triều đình cử ông làm Tham tán quân thứ Bắc Ninh, tức là làm Tham mưu cho đạo quân Bắc Ninh là một trong hai đạo quân mạnh của triều đình ở Bắc Kỳ (Bắc Ninh và Sơn Tây). Bùi Văn Dị, Trương Quang Đản phối hợp với Hoàng Kế Viêm mưu đánh chiếm lại thành Hà Nội, song không giành được thắng lợi.

   Đêm 26 rạng ngày 27 tháng 3/1883, quân ta từ Gia Lâm và Hoài Đức tấn công vào thành, riêng quân của Hoàng Kế Viêm đánh vào kho thóc, là nơi mấy hôm trước quân Pháp còn đóng nhiều, hiện còn đóng ít. Béc tơ đờ Vile nghi rằng ý định của quân ta bấy giờ là để đánh úp quân Pháp ở Đồn Thủy kéo đến cứu viện rồi thừa hư qua sông mà chiếm Đồn Thủy, nơi trung tâm của địch. Cho nên địch không tiếp viện cho kho thóc, nhưng quân ta cũng không chiếm được vị trí này.

   Ngày 28/3, Béc tơ đờ Vile đem 200 quân qua sông đánh phục thù. Chúng lục lọi các xóm bờ sông rồi tiến về Gia Quất, dưới sông có tầu chiến gắn đại bác yểm trợ. Bùi Văn Dị, Trương Quang Đản tự mình đốc chiến. Quanh làng có lũy đất và lũy tre, rào tre là chiến lũy của quân ta, quân ta bắn chặn, đẩy lùi nhiều đợt tấn công của quân Pháp. Tại làng Gia Quất, hai bên đấu súng rồi đánh giáp lá cà. Trận chiến diễn ra vô cùng ác liệt. Trong khi quân ta chiến đấu, thì trai tráng, dân binh trong làng không đi tản cư, trợ chiến bằng giáo mác, gậy gộc, khua chiêng trống, thùng chậu uy hiếp quân Pháp. Theo lời Vile thuật lại thì: “người An Nam đánh đến cùng, giật cả súng của lính Pháp”. Như vậy là trận đánh ở Gia Quất rất kịch liệt. Quân ta ở Gia Quất rút lần về hướng Bắc Ninh và hướng Bát Tràng. Căn cứ Thượng Cát vẫn tiếp tục chống cự với địch, giữ từng ngõ xóm, từng nhà, đến khi quân ta rút thì quân Pháp đốt luôn cả làng Thượng Cát cũng như chúng đã đốt rụi cả làng Gia Quất.

   Bùi Văn Dị và Trương Quang Đản tập hợp quân trên sông Đuống để phản công, toan đi vòng cắt đường rút lui của địch. Quân Pháp phán đoán được ý đồ của quân ta luôn hối hả chạy ra bờ sông Hồng, trên đường rút, chúng đốt thêm nhiều làng xóm nữa. 

   Giặc rút, quân ta trở lại Gia Quất, Thượng Cát chôn cất tử sĩ, giúp nhân dân, sửa chữa nhà cửa, một mặt củng cố trận địa sẵn sàng đánh địch.

   Đầu tháng 5/1883, quân Pháp ở Hà Nội bị hai cánh quân Bắc Ninh và Sơn Tây tạo thành thế hai gọng kìm ép chặt. Đêm 815/1883 đại bác của quân thứ Bắc Ninh do Bùi Văn Dị, Trương Quang Đản đặt ở trên bờ đê sông Hồng ở Gia Lâm nhả đạn vào Hà Nội, ở Đồn Thủy, ở căn cứ tại nhà thờ Hàm Long, có đêm bắn tới 80 phút, gây thiệt hại cho quân Pháp, khiến quân Pháp rất hoang mang. Đêm 15/5/1883, quân ta tập kích vào căn cứ quân Pháp ở nhà thờ Hàm Long. Henri Rivière hốt hoảng xin viện binh ở Hải Phòng, của Hạm đội Pháp đóng ở Hạ Long và của Sài Gòn.

   Việc vua quan nhà Nguyễn ký hàng ước 25/8/1883 làm cho Bùi Văn Dị suy sụp tinh thần đến phát bệnh và là cái cớ để không nhận chức Tổng đốc Ninh – Thái, cùng lúc Tam Nguyên Yên Đổ Nguyễn Khuyến cũng từ chối chức Tổng đốc Sơn Tây, ông về ở ẩn tại Thanh Hóa. Đến năm đầu Kiến Phúc (18 84) ông được triệu về kinh sung vào kinh diên làm “nhật giảng quan” giảng dạy cho vua Kiến Phúc, Ưng Lịch (sau là vua Hàm Nghi). Sau đó ông bị ốm, xin về dường bệnh ở Hải Quật, huyện Yên Định, Thanh Hóa.

   Khi vua Hàm Nghi lên ngôi, ông được cử làm Tả Tham tri bộ Lại. Khi toàn bộ đất nước rơi vào tay quân Pháp, ông chán cảnh quan trường, chọn đất Hải Quật, Thanh Hóa dựng một nhà tranh, lấy hiệu là Hải Nông làm nơi ẩn dật.

   Mặc dù ông từ chối ra làm quan nhiều lần, song cuối năm 1887, ông lại phải buộc về triều làm Thượng thư bộ Lại, Phụ chính đại thần. Trong dịp này ông được xét đặc cách nhận học vị tiến sĩ. Đến triều Thành Thái (1890) ông lại đi thi, đậu tiến sĩ. Ông được thăng Phó đô ngự sử, Thượng thư bộ Lại, bộ Lễ, Phụ chính đại thần và Quốc sử quán tổng tài. Sau đó ông xin từ chức, chỉ giữ chức phụ đạo đại thần kiêm Phó tổng tài Quốc sử quán.

   Ông mất năm 1895 ngay tại Quốc sử quán, thọ 63 tuổi. Ông có nhiều tác phẩm như “Dư Hiên tùng bút”, “Du Hiên thi thảo” (văn), “Vạn lý hành ngâm” (văn), “Tồn am thi tập”, “Thời chính Tạp biên”, “Trĩ Chu thù xướng” (văn).