28 lipca 2006 roku włoski gracz podpisał kontrakt z Milanem. W barwach „Rossonerich” po raz pierwszy wystąpił 17 września w wygranym 2:0 ligowym spotkaniu przeciwko Parmie. 17 października Bonera zadebiutował natomiast w rozgrywkach Ligi Mistrzów. W 47 minucie tego meczu Włoch został ukarany czerwoną kartką i musiał opuścić plac gry. Razem z Milanem Włoch w sezonie 2006/2007 Bonera zwyciężył w rozgrywkach Champions League, Superpucharu Europy oraz Klubowych Mistrzostw Świata. Po wypożyczeniu Massimo Oddo do Bayernu Monachium wychowanek Brescii z konieczności grywał czasem na pozycji prawego obrońcy.
W sezonie 2008/2009 Bonera był prześladowany przez kontuzje, przez co rozegrał w ligowych rozgrywkach tylko 18 spotkań. Mimo to 5 czerwca 2009 roku działacze Milanu przedłużyli z nim kontrakt do 2013 roku. Z powodu problemów z kontuzją pierwszy mecz w sezonie 2009/2010 włoski defensor rozegrał dopiero w lutym 2010 roku. Latem 2013 obrońca przedłużył kontrakt do końca czerwca 2015.
1 września 2015 ogłoszono, że zawodnik podpisał kontrakt na jeden sezon z Villarreal CF.