Bagnold blev født i Lee i det sydlige London og blev uddannet på Charterhouse School og Royal Military Academy, Woolwich. Han blev ansat i Royal Engineers i 1915 og tjente i Frankrig under 1. Verdenskrig. Efter krigen blev han udsendt til den egyptiske hær og tjente i Egypten og Sudan. I 1931 udgav han The Physics of Blown Sand and Desert Dunes, som blev et klassisk værk inden for ørkengeomorfologi.
Under Anden Verdenskrig tjente Bagnold i Nordafrika og Italien og blev tildelt Distinguished Service Order og Order of the British Empire. Han blev også valgt til Fellow of the Royal Society i 1941.
Efter krigen vendte Bagnold tilbage til Egypten og fortsatte sin forskning i ørkenklitter. Han skrev også en række bøger om sine oplevelser i ørkenen, herunder Libyan Sands (1935), The Nature of Desert Warfare (1941) og A Pilgrimage to Mecca (1933).
Bagnold døde i Sevenoaks, Kent, i 1990 i en alder af 93. Han betragtes som en af de mest indflydelsesrige ørkengeomorfologer i det 20. århundrede.
Ud over sit arbejde med ørkenklitter ydede Bagnold også bidrag til områderne jordmekanik, væskemekanik og militærteknik. Han var en produktiv forfatter og foredragsholder, og hans arbejde har haft en varig indflydelse på studiet af ørkener og udviklingen af militær taktik.