Marcello Mastroianni suit des cours au Centre théâtral universitaire de Rome, en compagnie de Federico Fellini et de Giulietta Masina. Il fait de la figuration dans Marionette (1939) de Carmine Gallone, dans La Couronne de fer (1941) d'Alessandro Blasetti et dans Les Enfants nous regardent (1944) de Vittorio De Sica.
Marcello Mastroianni obtient un premier rôle dans L'Evadé du bagne (1947) de Riccardo Freda, adaptation des Misérables de Victor Hugo. Si ses personnages gagnent de l'importance sous la direction de Luciano Emmer (Dimanche d'août, 1949 ; Paris est toujours Paris, 1951 ; Les Fiancés de Rome, 1952), il doit ses premiers succès aux comédies Dommage que tu sois une canaille (1954, d'après Fanatique d'Alberto Moravia) et La Chance d'être une femme (1955) d'Alessandro Blasetti. Il passe à un registre plus dramatique avec Les Nuits blanches (1957) de Luchino Visconti, d'après Fedor Dostoïevski. La Dolce Vita (1959) de Federico Fellini marque le début de la carrière internationale de l'acteur qui accepte des rôles plus complexes et plus ambigus. Impuissant dans Le Bel Antonio (1960) de Mauro Bolognini, écrivain à succès tourmenté dans La Nuit (1960) de Michelangelo Antonioni, journaliste apathique de La Dolce Vita, il se transforme en double de Fellini, réalisateur isolé et rêveur, dans Huit et demi (1962).
Eclectique, Mastroianni tourne pour de nombreux réalisateurs : Mario Monicelli (Les Camarades, 1963 ; Casanova 70, 1965), Vittorio De Sica (Mariage à l'italienne, 1964 ; Les Fleurs du soleil, 1970), Elio Petri (La Dixième Victime, 1965), Marco Ferreri (Break-up, 1965 ; La Grande Bouffe, 1973 ; Touche pas la femme blanche, 1973), Luchino Visconti (L'Etranger, 1967), John Boorman (Leo the last, 1970), Roman Polanski (Quoi ?, 1973), Yves Robert (Salut l'artiste, 1973). Il accumule des rôles variés, passant de l'épopée historique au mélodrame, de la comédie érotique à la science-fiction et au grotesque, du drame politique au film de guerre.
On le retrouve en homosexuel tourmenté dans Une journée particulière (1977) ou en journaliste sans pouvoir dans La Terrasse (1980), tous deux réalisés par Ettore Scola. En 1981, dans La Peau de Liliana Cavani, il incarne l'écrivain Curzio Malaparte pris dans la tourmente des terribles années de l'après-guerre. Les années 1980 sont pour lui l'occasion de retrouver Fellini : La Cité des femmes (1979) et Ginger et Fred (1985). En 1986, il triomphe dans Les Yeux noirs de Nikita Mikhalkov. En 1994, il joue dans Par-delà les nuages d'Antonioni au côté de sa fille Chiara. L'année suivante, il interprète son dernier rôle, celui d'un réalisateur qui retourne sur la terre de ses parents au Portugal, dans Voyage au début du monde (1996) de Manoel de Oliveira.
Avec plus de cent-soixante films à son actif, Marcello Mastroianni est l'acteur italien le plus célèbre dans le monde. Emouvant, mystérieux, souvent drôle, il reste par-dessus tout l'incarnation du séducteur italien, le reflet des années 1960 et de la dolce vita.
Marcello Mastroianni joue dans la Compagnie théâtrale Quirino, la troupe de Luchino Visconti As you like it (1948) de William Shakespeare, Un tramway nommé Désir de Tennessee Williams et Oreste de Vittorio Alfiedi (toutes deux en 1949), Mort d'un commis voyageur (1951) d'Arthur Miller ainsi que Oncle Vania (1955) d'Anton Tchekhov.
Il joue pour la télévision dans Block notes di un regista (1969), réalisé par Federico Fellini, Divagations sur un film à faire (1975) de Liliana Betti et Gianfranco Angelucci, Les Mains sales (1978) d'Elio Petri d'après Jean-Paul Sartre.
Il apparaît dans le documentaire de Ferruccio Castronuovo, Appunti su " La Citta delle donne " di Federico Fellini (1980).
Longs métrages 1947 | Miserabili (I) L'Evadé du bagne | Riccardo Freda |
| 1949 | A Tale of Five Women | Montgomery Tully, Romolo Marcellini, Géza von Cziffra, [etc.] |
| 1949 | Cuori sul mare Les Mousquetaires de la mer | Giorgio Bianchi |
| 1949 | Una domenica d'agosto Dimanche d'août | Luciano Emmer |
| 1950 | Atto di accusa Acte d'accusation | Giacomo Gentilomo |
| 1950 | Contra la legge Contre la loi | Flavio Calzavara |
| 1950 | Parigi è sempre Parigi Paris est toujours Paris | Luciano Emmer |
| 1950 | Vita da cani Dans les coulisses | Mario Monicelli, Steno |
| 1951 | Sensualita | Clemente Fracassi |
| 1952 | Lulu | Fernando Cerchio |
| 1952 | Penne nere | Oreste Biancoli |
| 1952 | Ragazze di piazza di Spagna (Le) Les Les Fiancées de Rome = Les Fiancés de Rome | Luciano Emmer |
| 1952 | Tragico ritorno Tragique retour | Pier Luigi Faraldo |
| 1953 | Cronache di poveri amanti Chronique des pauvres amants | Carlo Lizzani |
| 1953 | Eroi della domenica (Gli) Les Héros du dimanche | Mario Camerini |
| 1953 | Eterna catena (L') Ange du péché | Anton Giulio Majano |
| 1953 | Febbre di vivere La Fièvre de vivre | Claudio Gora |
| 1953 | Giorni d'amore Jours d'amour | Giuseppe De Santis |
| 1953 | Non e mai troppo tardi Il n'est jamais trop tard | Filippo Walter Ratti |
| 1953 | Tempi nostri Quelques pas dans la vie | Alessandro Blasetti |
| 1953 | Viale della speranza (Il) Le Chemin de l'espérance | Dino Risi |
| 1954 | Casa ricordi La Maison du souvenir | Carmine Gallone |
| 1954 | Peccato che sia una canaglia Dommage que tu sois une canaille | Alessandro Blasetti |
| 1954 | Principessa delle Canarie (La) | Paolo Moffa |
| 1954 | Schiava del peccato (La) L'Esclave du péché | Raffaello Matarazzo |
| 1955 | Bella mugnaia (La) Par-dessus les moulins | Mario Camerini |
| 1955 | Fortuna di essere donna (La) Chance d'être femme | Alessandro Blasetti |
| 1955 | Tam-tam mayumbe Tam-tam | Gian Gaspare Napolitano |
| 1956 | Bigamo (Il) Le Bigame | Luciano Emmer |
| 1956 | Padri e figli Père et fils | Mario Monicelli |
| 1956 | Ragazza della Salina (La) [Des filles et des hommes] = [La Fille de la saline] = [La Fille du marais salant] | Frantisek Cáp |
| 1957 | Medico e lo stregone (Il) | Mario Monicelli |
| 1957 | Momento piu bello (Il) Le Moment le plus beau | Luciano Emmer |
| 1957 | Notti bianche (Le) Les Nuits blanches | Luchino Visconti |
| 1957 | Un ettaro di cielo | Aglauco Casadio |
| 1958 | Loi (La) | Jules Dassin |
| 1958 | Racconti d'estate Femmes d'un été | Gianni Franciolini |
| 1958 | Soliti ignoti (I) Le Pigeon | Mario Monicelli |
| 1958 | Tutti innamorati [Papa est amoureux] | Giuseppe Orlandini |
| 1959 | Amore e guai | Angelo Dorigo |
| 1959 | Bell' Antonio (Il) Le Bel Antonio | Mauro Bolognini |
| 1959 | Dolce vita (La) Douceur de vivre | Federico Fellini |
| 1959 | Ferdinando I re di Napoli [Ferdinand, roi de Naples] | Gianni Franciolini |
| 1959 | Nemico di mia moglie (Il) | Gianni Puccini |
| 1960 | Adua e le compagne Adua et ses compagnes | Antonio Pietrangeli |
| 1960 | Assassino (L') Assassin | Elio Petri |
| 1960 | Fantasmi a Roma Les Joyeux fantômes | Antonio Pietrangeli |
| 1960 | Notte (La) Nuit | Michelangelo Antonioni |
| 1961 | Divorzio all'italiana Divorce à l'italienne | Pietro Germi |
| 1961 | Vie privée | Louis Malle |
| 1962 | Cronaca familiare Journal intime | Valerio Zurlini |
| 1962 | Otto e mezzo Huit et demi | Federico Fellini |
| 1963 | Compagni (I) Les Camarades | Mario Monicelli |
| 1963 | Ieri, oggi, domani Hier, aujourd'hui et demain | Vittorio De Sica |
| 1964 | Casanova '70 Casanova 70 | Mario Monicelli |
| 1964 | Matrimonio all'italiana Mariage à l'italienne | Vittorio De Sica |
| 1965 | Decima vittima (La) Dixième victime | Elio Petri |
| 1965 | Io, io, io... e gli altri | Alessandro Blasetti |
| 1965 | Oggi, domani, dopodomani [Aujourd'hui, demain et après-demain] | Eduardo De Filippo, Marco Ferreri, Luciano Salce |
| 1965 | Oggi, domani, dopodomani : L'ora di punta | Eduardo De Filippo |
| 1965 | Oggi, domani, dopodomani : La moglie bionda | Luciano Salce |
| 1965 | Poppy Is Also a Flower (The) Opération opium | Terence Young |
| 1965 | Uomo dei cinque palloni (L') Break-up = Erotisme et ballons rouges | Marco Ferreri |
| 1966 | Spara forte, piu forte non capisco | Eduardo De Filippo |
| 1966 | Straniero (Lo) L'Etranger | Luchino Visconti |
| 1967 | Diamonds for Breakfast | Christopher Morahan |
| 1967 | Questi fantasmi Fantômes à l'italienne | Renato Castellani |
| 1968 | Amanti Le Temps des amants | Vittorio De Sica |
| 1969 | Block-notes di un regista | Federico Fellini |
| 1969 | Ciao, Federico | Gideon Bachmann |
| 1969 | Girasoli (I) Les Fleurs du soleil | Vittorio De Sica |
| 1969 | Leo the Last Leo le dernier | John Boorman |
| 1970 | Dramma della gelosia Drame de la jalousie | Ettore Scola |
| 1970 | Giuochi particolari [Le Voyeur] | Franco Indovina |
| 1970 | Moglie del prete (La) Femme du prêtre | Dino Risi |
| 1970 | Scipione detto anche l'Africano | Luigi Magni |
| 1971 | Ça n'arrive qu'aux autres | Nadine Trintignant |
| 1971 | Liza | Marco Ferreri |
| 1971 | Permette ? Rocco Papaleo | Ettore Scola |
| 1971 | Roma Fellini Roma | Federico Fellini |
| 1972 | Che ? Quoi ? | Roman Polanski |
| 1972 | Mordi e fuggi Rapt à l'italienne | Dino Risi |
| 1972 | Rappresaglia SS représailles | George P. Cosmatos |
| 1973 | Evénement le plus important depuis que l'homme a marché sur la lune (L') | Jacques Demy |
| 1973 | Grande bouffe (La) | Marco Ferreri |
| 1973 | Salut l'artiste | Yves Robert |
| 1973 | Touche pas à la femme blanche | Marco Ferreri |
| 1974 | Allonsanfan | Vittorio Taviani, Paolo Taviani |
| 1974 | C'eravamo tanto amati Nous nous sommes tant aimés | Ettore Scola |
| 1974 | Pupa del gangster (La) Pépée du gangster | Giorgio Capitani |
| 1975 | Divina creatura (La) Divine créature | Giuseppe Patroni Griffi |
| 1975 | Donna della domenica (La) Femme du dimanche | Luigi Comencini |
| 1975 | Per le antiche scale Vertiges | Mauro Bolognini |
| 1975 | Signore e signori, buonanotte Mesdames et Messieurs, bonsoir | Ettore Scola, Mario Monicelli, Luigi Comencini, [etc.] |
| 1975 | Todo modo | Elio Petri |
| 1976 | Culastrisce nobile veneziano | Flavio Mogherini |
| 1976 | Una giornata particolare Une journée particulière | Ettore Scola |
| 1977 | Ciao maschio Rêve de singe | Marco Ferreri |
| 1977 | Doppio delitto Enquête à l'italienne | Steno |
| 1977 | Mogliamante La Maîtresse légitime | Marco Vicario |
| 1978 | Cosi come sei La Fille | Alberto Lattuada |
| 1978 | Fatto di sangue fra due uomini per causa di una vedova, si sospettano moventi politici D'amour et de sang | Lina Wertmüller |
| 1978 | Giallo napoletano Mélodie meurtrière | Sergio Corbucci |
| 1978 | Ingorgo, una storia impossibile (L') Le Grand embouteillage | Luigi Comencini |
| 1979 | Citta delle donne (La) Cité des femmes | Federico Fellini |
| 1979 | Terrazza (La) Terrasse | Ettore Scola |
| 1980 | Fantasma d'amore Fantôme d'amour | Dino Risi |
| 1980 | Pelle (La) Peau | Liliana Cavani |
| 1981 | Mondo nuovo (Il) La Nuit de Varennes | Ettore Scola |
| 1982 | Général de l'armée morte (Le) | Luciano Tovoli |
| 1982 | Oltre la porta Derrière la porte | Liliana Cavani |
| 1982 | Storia di Piera L'Histoire de Pierra | Marco Ferreri |
| 1983 | Enrico IV | Marco Bellocchio |
| 1983 | Gabriela | Bruno Barreto |
| 1984 | Due vite di Mattia Pascal (Le) La Double vie de Matthias Pascal | Mario Monicelli |
| 1985 | Ginger e Fred Ginger et Fred | Federico Fellini |
| 1985 | Maccheroni Macaroni | Ettore Scola |
| 1986 | Melissokomos (O) L'Apiculteur | Theo Angelopoulos |
| 1986 | Oci ciornie Les Yeux noirs | Nikita Mikhalkov |
| 1986 | soliti ignoti vent'anni dopo (I) Le pigeon vingt ans après | Amanzio Todini |
| 1987 | Intervista | Federico Fellini |
| 1988 | Miss Arizona | Pál Sándor |
| 1988 | Splendor | Ettore Scola |
| 1989 | Che ora è Quelle heure est-il | Ettore Scola |
| 1989 | Stanno tutti bene Ils vont tous bien | Giuseppe Tornatore |
| 1990 | Pas suspendu de la cigogne (Le) | Theo Angelopoulos |
| 1990 | Tchin-tchin | Gene Saks |
| 1990 | Verso sera Dans la soirée | Francesca Archibugi |
| 1990 | Viaggio di capitan Fracassa (Il) Le Voyage du capitaine Fracasse | Ettore Scola |
| 1991 | Used People Quatre New-Yorkaises | Beeban Kidron |
| 1991 | Voleur d'enfants (Le) | Christian de Chalonge |
| 1992 | De eso no se habla De eso no se habla - On n'en parle pas | Maria Luisa Bemberg |
| 1992 | Un deux trois soleil | Bertrand Blier |
| 1994 | Cent et une nuits (Les) | Agnès Varda |
| 1994 | Par delà les nuages | Michelangelo Antonioni, Wim Wenders |
| 1994 | Ready to Wear Prêt à porter | Robert Altman |
| 1994 | Sostiene Pereira Pereira prétend | Roberto Faenza |
| 1994 | Vera vita di Antonio H. (La) | Enzo Monteleone |
| 1995 | Trois vies et une seule mort | Raoul Ruiz |
| 1996 | Marcello Mastroianni, mi ricordo si io mi ricordo Marcello Mastroianni, je me souviens | Anna Maria Tatò |
| 1996 | Viagem ao principio do mundo Voyage au début du monde | Manoel de Oliveira |