Bolin tok sin doktorgrad ved Stockholms universitet i 1956 og var professor i meteorologi der fra 1961 til 1990. Han har også vært vitenskapelig direktør av European Space Research Organisation, nå kjent som European Space Agency. Han var den første lederen for FNs klimapanel, der han gjorde tjeneste fra 1988 til 1998. Han var også medlem av United States National Academy of Sciences.