Poté, co fotbalově dospěl v mládežnických týmech Tårnby Boldklubu, Kjøbenhavns Boldklubu a Arsenalu, podepsal Bendtner svou první profesionální smlouvu s Arsenalem v roce 2005. Debutoval v říjnu 2005 v Ligovém poháru proti Sunderlandu. V sezóně 2006/07 hostoval v klubu anglické Championship Birminghamu, kde odehrál 48 zápasů. Po návratu do Arsenalu se stal pravidelným členem základní sestavy, ale během sezóny 2010/11 začala jeho forma razantně upadat. Výsledkem bylo, že na většinu sezóny 2011/12 byl zapůjčen Sunderlandu, kde se zúčastnil 30 zápasů. Poté celou sezónu 2012/13 strávil na dalším hostování, tentokrát v italském Juventusu, kde nastoupil k 10 zápasům, v nichž se střelecky neprosadil. S týmem se mu však podařilo vyhrát Serii A. Bendtner odešel z Arsenalu v roce 2014. Následně zadarmo přestoupil do Wolfsburgu, kde vstřelil vítězný gól v DFL-Supercupu 2015. V roce 2016 se vrátil zpátky do Anglie, kde strávil první polovinu sezóny 2016/17 v druhé nejvyšší anglické soutěži, konkretně v Nottinghamu Forest, a v březnu 2017 přestoupil do Rosenborgu. Po sezóně a půl strávené v Norsku se vrátil do své rodné země. Půlrok odehrál v dresu FC Kodaň, kde mu byla na konci roku 2019 rozvázána smlouva. První polovinu roku 2020 strávil bez angažmá a 25. srpna přišel, jako volný hráč, do čtvrtoligového Tårnby FF.