Bertoia nasce a San Lorenzo (Ud) nel 1915, ma nel 1930 emigra con la famiglia negli Stati Uniti. Nel 1936 studia al Class Technical College of Detroit dove si occupa di gioielli e di pittura. Fin dagli inizi, quando era ancora studente e poi per tutta la sua carriera, Bertoia fu sempre appassionato dell'uso del metallo per ogni suo esperimento. Nel 1943 si trasferì a Los Angeles per lavorare in uno studio come designer di mobili. In California incontra Eames, con il quale collabora agli esperimenti di sagomatura del legno multistrato per stecche per gambe e per parti di aeroplano. Nel 1950 fu invitato dalla ditta Knoll a creare un oggetto a suo piacimento. Nacque così la collezione di sedute in tubino d'acciaio piegato che sono sculture e mobili allo stesso tempo. E' proprio l'introduzione del filo metallico, fino ad allora mai utilizzato per la realizzazione di mobili, che ha fatto di Bertoia un'icona del design moderno.

I mobili di Bertoia, come le sue sculture, esprimono il suo concetto di arte: punto di incontro tra forma e spazio, forme organiche, sembianze umane tradotte in arte. Egli dichiara che il suo design intende rendere più gradevoli e diversificati gli spazi, attraverso un processo di combinazione fra lavoro tecnico e arti creative.
Delle sue sedie, Bertoia scrive che lo spazio le attraversa e guardandole bene si nota che sono fatte soprattutto d'aria, come una scultura. Essendo soprattutto uno scultore, egli, pur rendendosi conto che la progettazione di una sedia esigeva soluzioni a problemi funzionali, vede la sedia come una scultura nello spazio.
Nel 1953 riceve il primo importante incarico della sua carriera di scultore dalla General Motors, che gli chiese di creare una serie di grandi sculture per la sede del Michigan. Bertoia iniziò così a ricevere sempre più richieste da parte di architetti per creare opere per le maggiori istituzioni e corporazioni del tempo.
Bertoia dedicò il resto della sua carriera alla scultura.
Morì in Pennsylvania nel 1978.