Bernal startet karrieren som terrengsyklist og fikk sølv i terreng-VM for junior i 2014 og bronse i 2015. I 2016 gikk Bernal over til landeveissykling og ble ansatt av det italienske kontinentallaget Androni Giocattoli-Sidermec. Etter flere gode prestasjoner og seieren i Tour de l'Avenir 2017 ble han ansatt i Team Sky fra 2018. I debutsesongen som World Tour rytter imponerte han med fremragende prestasjoner i Tour Down Under, Catalonia rundt, hans første etappeseier i Romandie rundt og seieren i Tour of California; Han ble også colombiansk tempomester i 2017. I Tour de France 2018 imponerte Bernal som lojal hjelperytter for Chris Froome og Geraint Thomas.