На филмском платну је дебитовао 1955. године у филму „Песма са Кумбаре“, а у својој богатој и плодној каријери глумио је у преко 270 филмова и телевизијских серија.Снимао је филмове у којима је играо главне улоге у свим бившим југословенским републикама. Један је од родоначелника такозваног ”Црног таласа” у југословенском филму, насталог почетком шездесетих у којима је контуирано наступао све до касних седамдесетих година. Паралелно с њима играо је и у партизанским филмовима у којима се прославио током 1960их и 1970их, а један од њих, „Валтер брани Сарајево“ му је донео велику популарност у Кини. Осим глуме, бавио се и политиком - био је посланик Социјалистичке партије Србије у неколико мандата, а 2002. године био је кандидат СПС-а на републичким председничким изборима у Србији.

Живојиновић је рођен у селу Кораћици, под планином Космајем. Свој таленат за глуму је открио са 15 година, док је радио као сценски радник и понекад као статиста у Академском позоришту у Београду. Након завршетка средњих глумачких школа у Нишу и Новом Саду, покушао је да се упише на Позоришну академију у Београду и успео из трећег покушаја 1954. године. У Београдском драмском позоришту је играо више година, а у том периоду је имао по 300 ангажмана годишње.
Бата Живојиновић је више волео позориште од филма, иако је у њему играо само неколико година. Његов филмски деби из 1955. године у филму „Песма са Кумбаре“ редитеља Радоша Новаковића био је почетак изузетно плодне каријере. Живојиновић, који ће ускоро постати познатији по свом надимку Бата, је без сумње одиграо више филмских улога од било ког глумца у историји југословенске кинематографије. Континуирану филмску каријеру, због које напушта позориште, Живојиновић је започео епизодама у „Влаку без возног реда“ из 1959. године и „Рату“ из 1960. године. Оба наведена остварења је режирао Вељко Булајић, у чијим ће скоро свим каснијим филмовима Бата Живојиновић играти главне улоге.
Улоге Бате Живојиновића нису биле само велике, већ и разноврсне. Глумио је и хероје и зликовце и лако је прелазио из улоге главног у улогу споредног лика. Током шездесетих се филмовима попут „Козаре“ (1962) (за који је награђен у Пули), „Три (филм)“ (1965), „Операције Београд“ (1968), и „Битке на Неретви“ (1969) устоличио као једна од највећих звезда кинематографије бивше Југославије, али је зенит његове популарности дошао током 1970их филмовима са тематиком Другог светског рата. Један од најпознатијих његових филмова из овог периода је „Валтер брани Сарајево“ из 1972. године, који је постигао велики успех у Кини, где је Живојиновић и данас популаран. Током 1980их Живојиновић је пародирао на своју слику акционог хероја улогама у низу лаких комедија.
Током прериода владавине Јосипа Броза Тита снимио је доста Партизанских филмова био је како је сам истицао у медијима добар пријатељ са доживотним Председником Социјалистичке Федеративне Републике Југославије Јосипом Брозом Титом, такође је био активан члан владајуће Партије Савеза комуниста Југославије у Социјалистичкој Федеративној Републици Југославији. Године 1990. је изабран у Народну скупштину Републике Србије. Од 1991. је активан на политичкој сцени као члан Социјалистичке партије Србије. У септембру 2002. је био кандидат Социјалистичке партије Србије на изборима за председника Србије. Међутим, Слободан Милошевић, председник СПС коме је у то време суђено у Међународном суду за ратне злочине у Хагу, је подржао кандидата Српске радикалне странке Војислава Шешеља.
Живојиновић је био иницијатор, оснивач и неко време председник Удружења филмских глумаца Србије, такође је био и директор филмског програма Слободарских свечаности у Сопоту.
Бата Живојиновић је познат по свом блиском пријатељству са хрватским глумцем Борисом Дворником. Живојиновић и Дворник су се 1991. одрекли један другог у низу отворених писама, у гесту који је био виђен као симболика распада СФРЈ. 2004. је јављено да су њих двојица покушала да се помире. Помирили су се 2006. путем видео линка између Сплита и Београда. Живојиновић је изјавио „последњих година није било мржње између нас“, а Дворник се надовезао да је то био „само неспоразум“.
Бата Живојиновић је преживео срчани удар 17. октобра 2006. Три године касније је имао гангрену коју је санирао на Куби, да би му се опет повратила повредом ноге на снимању филма Лед 2011. године. После тешког периода болести опорављао се у бањи Селтерс.
Од 1991. године је активан у Социјалистичкој партији Србије (СПС). Био је народни посланик у првом сазиву Народне Скупштине Републике Србије 1991. Био и председник Комисије за представке и жалбе Народне Скупштине. 1991. године истакао се разумним и компромисним ставом приликом студентских протеста. Као представник СПС је на изборима одржаним 2002. године био кандидат за председника Србије и освојио око 120.000 гласова.