Après des études d'architecture à Milan, Renato Castellani s'oriente vers la critique de cinéma. Parallèlement, il écrit et dirige des programmes radiophoniques. En 1938, il est coscénariste de L'orologio a cucu de Camillo Mastrocinque.
Entre 1938 et 1941, Renato Castellani mène une activité d'assistant et de scénariste et signe (ou cosigne) des oeuvres comme I grandi Magazzini (1939) de Mario Camerini ou la Couronne de fer (1941) d'Alessandro Blasetti. En 1941, il réalise son premier film, Un coup de pistolet, inspiré d'une nouvelle de Pouchkine qu'il adapte lui-même. Son deuxième film, Zaza (1942), confirme l'attention qu'il porte à l'image et aux décors. Son goût pour le formalisme le place parmi les "calligraphes" (Mario Soldati, Alberto Lattuada, Luigi Chiarini) et le distingue du cinéma de la fin du fascisme. Après deux oeuvres mineures, cet esthète interprète le néoréalisme d'une façon très personnelle avec trois films : Sous le soleil de Rome (1948), Printemps (1949) et Deux sous d'espoir (1952). Son souci de réalisme, qui s'exprime par une prédilection pour des acteurs non professionnels, est cependant plus descriptif qu'engagé. Alors que certains de ses contemporains se livrent à un examen déchirant de la société, Renato Castellani évoque la condition des couches populaires avec un optimisme bon enfant. Il réalise ensuite Roméo et Juliette (1954), une véritable comédie "à l'italienne" plongée dans l'Italie du Quattrocento, dont la réussite plastique rappelle l'approche esthétisante de ses débuts. C'est sans doute sa dernière oeuvre originale. Les films suivants, qui tentent parfois de prolonger le néoréalisme (I sogni nel cassetto, 1957), sont moins convaincants.
Dans les années 1970, Renato Castellani se consacre à la télévision. Son Léonard de Vinci (1971) jouit d'une certaine réputation.
Longs métrages 1941 | Un colpo di pistola Un coup de pistolet | Renato Castellani |
| 1942 | Zaza | Renato Castellani |
| 1943 | Donna della montagna (La) | Renato Castellani |
| 1947 | Sotto il sole di Roma Sous le soleil de Rome | Renato Castellani |
| 1948 | Mio figlio professore | Renato Castellani |
| 1950 | E primavera ! | Renato Castellani |
| 1951 | Due soldi di speranza Deux sous d'espoir | Renato Castellani |
| 1953 | Giulietta e Romeo Roméo et Juliette | Renato Castellani |
| 1956 | Sogni nel cassetto (I) Rien que nous deux | Renato Castellani |
| 1958 | Nella città l'inferno L'Enfer dans la ville | Renato Castellani |
| 1960 | Brigante (Il) | Renato Castellani |
| 1963 | Mare matto La Mer à boire | Renato Castellani |
| 1964 | Controsesso (Il) [Contre-sexe] | Franco Rossi, Marco Ferreri, Renato Castellani |
| 1964 | Controsseso : Una donna d'affari (Il) | Renato Castellani |
| 1964 | Tre notti d'amore | Luigi Comencini, Renato Castellani, Franco Rossi |
| 1964 | Tre notti d'amore : La Vedova | Renato Castellani |
| 1967 | Questi fantasmi Fantômes à l'italienne | Renato Castellani |
| 1969 | Una breve stagione | Renato Castellani |
| 1939 | Centomila dollari | Mario Camerini |
| 1939 | Grandi Magazzini | Mario Camerini |
| 1940 | Un'avventura di Salvator Rosa Une aventure de Salvator Rosa | Alessandro Blasetti |
| 1938 | Documento (Il) | Mario Camerini |
| 1938 | Orologio a cucù (L') | Camillo Mastrocinque |
| 1938 | Signora di Montecarlo (La) | Mario Soldati |
| 1939 | Batticuore | Mario Camerini |
| 1939 | Castelli in aria | Augusto Genina |
| 1939 | Cavaliere di San Marco (Il) | Gennaro Righelli |
| 1939 | Due milioni per un sorrriso | Mario Soldati, Carlo Borghesio |
| 1939 | Grandi Magazzini | Mario Camerini |
| 1940 | Un'avventura di Salvator Rosa Une aventure de Salvator Rosa | Alessandro Blasetti |
| 1940 | Una romantica avventura Une aventure romantique | Mario Camerini |
| 1941 | Cena delle beffe (La) Farce tragique | Alessandro Blasetti |
| 1941 | Corona di ferro (La) Couronne de fer | Alessandro Blasetti |
| 1942 | Malombra | Mario Soldati |
| 1943 | Donna della montagna (La) | Renato Castellani |
| 1943 | Quartieri alti | Mario Soldati |
| 1946 | Malia | Giuseppe Amato |
| 1947 | Sotto il sole di Roma Sous le soleil de Rome | Renato Castellani |
| 1948 | Fabiola | Alessandro Blasetti |
| 1948 | Mio figlio professore | Renato Castellani |
| 1950 | E primavera ! | Renato Castellani |
| 1950 | Romanticismo | Clemente Fracassi |
| 1951 | Due soldi di speranza Deux sous d'espoir | Renato Castellani |
| 1953 | Giulietta e Romeo Roméo et Juliette | Renato Castellani |
| 1956 | Sogni nel cassetto (I) Rien que nous deux | Renato Castellani |
| 1958 | Nella città l'inferno L'Enfer dans la ville | Renato Castellani |
| 1960 | Brigante (Il) | Renato Castellani |
| 1963 | Mare matto La Mer à boire | Renato Castellani |
| 1964 | Controsseso : Una donna d'affari (Il) | Renato Castellani |
| 1964 | Matrimonio all'italiana Mariage à l'italienne | Vittorio De Sica |
| 1967 | Questi fantasmi Fantômes à l'italienne | Renato Castellani |
| 1969 | Arcangelo (L') [Pleins Feux sur l'archange] | Giorgio Capitani |
| 1969 | Una breve stagione | Renato Castellani |
| 1948 | Fabiola | Alessandro Blasetti |
| 1967 | Questi fantasmi Fantômes à l'italienne | Renato Castellani |