1965'te Los Angeles'ta doğdu. Kendisini evlat edinmiş çocuk psikiyatrı Harriet ve yeminli mali müşavir Jim'in çocuğuydu. 1981 yapımı Raiders of the Lost Ark filminin senaristi George Lucas'ın yanında stajyerlik yapan Bay, bu deneyiminin ardından gelecekte yönetmenlik yapmaya karar verdi. 1986'da Wesleyan Üniversitesi'nin İngiliz Dili ve Film bölümlerinde çift anadal yaparak mezun oldu. 1990'ların başında reklam videoları ve müzik klipleri çekti.

1995'te ilk uzun metrajlı filmi Bad Boys'u yönetti, film gişede önemli bir iş başardı. The Rock, Armageddon ve Pearl Harbor gibi bir dönemin en sevilen aksiyon filmleri arka arkaya geldi. 2001'de Bad Boys filminin 2.'sinde de kamera arkasına geçti. 2007'de Transformers film serisinin ilk filmini yönetti, sonrasında çekilen 4 filmde yine yönetmen koltuğunda oturdu. Ayrıca 2013'te Zor Kazanç (Pain & Gain) filminde Transformers serisinin yıldızı Mark Wahlberg ve Dwayne Johnson'la çalıştı.