Formé par son oncle, Jean Bouillaud, chirurgien-major de l'armée, Bouillaud participa avant même d'avoir achevé ses études, aux campagnes napoléoniennes de 1815, ce n'est qu'à la suite de la défaite de Waterloo qu'il achèvera son parcours universitaire avec son doctorat en médecine en 1823, à Paris. Son intense activité médicale se matérialise dans la publication d'un Traité des maladies du cœur et des gros vaisseaux, avec René-Joseph-Hyacinthe Bertin, en 1824, puis un an plus tard, un Traité clinique et physiologique de l'encéphalite, ou inflammation du cerveau dans lequel il expose sa thèse concernant les localisations frontales du centre du langage. Cela lui vaut de devenir à 30 ans, membre de l’Académie royale de médecine. Ses travaux seront poursuivis par son gendre Ernest Auburtin qui en les exposant à la Société d'anthropologie, en 1861, les fera découvrir à Paul Broca.
En 1831, il obtient un poste de professeur de médecine clinique à l'Hôpital de la Charité de Paris. Paru en 1840, son Traité clinique du rhumatisme articulaire et de la loi de coïncidence des inflammations du cœur avec cette maladie établit définitivement sa réputation de clinicien. A l'Académie de médecine, en 1847, il figure comme vice-président, mais contrairement aux usages, il ne devint pas président l'année suivante; redevenu vice-président en 1861, il fut Président en 1862. En 1848, il est nommé doyen de la Faculté de Médecine de Paris, mais des dissensions avec son prédécesseur Mathieu Orfila le feront quitter ce poste.
Le 1 juin 1868, il est élu membre de l'Académie des sciences (section de médecine et chirurgie), institution qu'il fréquentera jusqu'à ses tout derniers jours et la même année il est nommé Commandeur de l'Ordre de la Légion d'honneur.
En 1870, il perdit sa femme et, en 1875, il démissionna de sa chaire de Clinique Médicale; il avait eu une clientèle importante, qu'il abandonna peu à peu pour se consacrer à sa famille. En juin 1881, il se retira dans sa propriété des Bergerons, près d'Angoulème mais c'est à Paris, qu'il est décédé en octobre 1881, après avoir effectué un séjour en Suisse.
Libéral et républicain, il fut aussi député de Charente entre 1842 et 1846.
