Attaccante di razza, aveva nel tiro potente e preciso e nel colpo di testa i numeri piu pregiati e peculiari del suo repertorio. Fu tra i pochi giocatori della sua generazione a mantenersi ad alti livelli fino ad età avanzata.
Inizialmente le sue fortune sono legate al Cagliar
i di Gigi Riva, al quale approda dal Varese nel 1966, dopo aver militato in B nel Prato e soprattutto nel Potenza, dove in coppia con Silvino Bercellino, costituisce
l'attacco raffica per il rilevante numero di reti segnate nel campionato 1964/65 (miglior attacco, 55 gol fatti).
Tuttavia in terra sarda non arriva a vincere lo storico scudetto del 1969-70, perché nell'estate precedente è inserito nell'affare che porterà Angelo Domenghini a Cagliari, mentre Boninsegna finisce all'Inter.
A Milano conosce il periodo di maggior splendore della sua carriera, con lo scudetto del 1970-71, in cui è capocannoniere di serie A con 24 segnature, titolo che vincerà, con 22 centri, anche la stagione successiva. In totale con la maglia neroazzurra scese in campo 281 volte (197 in A, 55 in Coppa Italia e 29 in Europa) segnando 171 reti (113 in A, 36 in Coppa Italia e 22 in Europa).
Dopo uno scambio con Pietro Anastasi, passa a quasi 33 anni di età alla Juventus, con cui disputerà autorevolmente da titolare le stagioniscendendo in campo complessivamente in 94 occasioni (58 in A, 17 in Coppa Italia e 19 in Europa) segnando 35 reti (22 in A, 6 in Coppa Italia e 7 in Europa). Durante la sua militanza nella Vecchia Signora contribuì alla vittoria di due campionati una Coppa Italia e della Coppa Uefa nel 1976-77, primo trofeo internazionale per il club torinese.
Concluse l'attività agonistica in serie B nel Verona, nella stagione 1979-80.
Con la maglia della nazionale, vestita per la prima volta nel 1967, arrivò a disputare i mondiali del 1970, nel corso dei quali fu, tra l'altro, autore del passaggio che Gianni Rivera concluderà in rete decidendo l'esito della storica semifinale "Italia-Germania 4-3" , e , nella finalissima, della rete ( primo interista della storia ad andare a segno in una finale mondiale ) del momentaneo pareggio al gol di Pelé . La partità finirà poi 4-1 per il Brasile. In totale colleziona 22 presenze e 9 reti in azzurro.