Publica su primera historia en 1938. En 1943 deja el trabajo de vendedor de periódicos y se dedica a escribir a tiempo completo, publicando en diversos medios numerosos relatos breves. En 1950 comienza su fama con Crónicas marcianas, los intentos de los terrestres por colonizar el planeta Marte reflejaban las angustia y ansiedad de la sociedad norteamericana de los cincuenta, ante el peligro de una guerra nuclear.
Considerados un clásico de la ciencia ficción, abarca un período comprendido entre 1999 y 2026. Los marcianos poseen notables poderes telepáticos, lo que causa graves contratiempos a las tres primeras expediciones. La cuarta aporta al planeta la varicela, que contagia a los indígenas y acaba con su resistencia.
En 1951 publica uno de sus libros mayores, El hombre ilustrado, compuesto por varios relatos de naturaleza fantástica, y dos años más tarde otro de los más representativos, Fahrenheit 451, un clásico de la literatura distópica del siglo XX, equiparable a Un mundo feliz, de Aldous Huxley, y a 1984, de George Orwell. La novela narra la historia de una ciudad del futuro dominada por los medios audiovisuales, en la que se acosa el individualismo, están prohibidos los libros, y los bomberos, brazos ejecutores de un Estado totalitario, son los encargados de quemarlos. Al margen de la sociedad, un grupo de hombres recluidos en los bosques decide memorizar textos enteros de filosofía y literatura para preservar la cultura.
Pero Bradbury no sólo cultivó la ciencia ficción y la literatura de corte fantástico, sino que escribió también libros realistas e incluso incursionó en el relato policial (precisamente por este rasgo algunos críticos no lo consideran un escritor de ciencia ficción).Su prosa se caracteriza por la universalidad, como si no le importara tanto perfeccionar un género como escribir acerca de la condición humana y su temática, a través de un estilo poético.
Abarca el problema de una guerra atómica, de la censura en un mundo por venir y del peligro implícito en las técnicas y la ciencia, trató temas más cotidianos como el racismo, el miedo a la muerte, el amor y la infancia.