Марчелло Винченцо Доменико Мастроянни родился 28 сентября 1924 года в Фонтана-Лири. 
В начале своей карьеры он в основном играл жизнерадостных молодых людей и влюбленных. Позже он воплотил архетип переживающего кризис мужчины средних лет, а также художественное альтер эго своего любимого режиссера Федерико Феллини, в фильмах которого он несколько раз играл главные роли.
Марчелло Мастроянни родился в городе Фонтана-Лири недалеко от Неаполя и вырос в Риме и Турине. Его отец работал плотником. Мать происходила из еврейской семьи среднего класса. Родители Иды эмигрировали из России; сама она выросла в Гамбурге среди незнакомцев, позже переехала в Италию и вышла там замуж. Только в 1980-х годах Марчелло Мастроянни узнал о своих еврейских корнях.
С 1945 года Мастроянни работал в кинокомпании и брал уроки актёрского мастерства. В 1948 году он дебютировал в кино в фильме «Отверженные» по роману Виктора Гюго.
Он получил международную известность благодаря фильму 1960 года «Сладкая жизнь» Феллини. За эту роль он получил награду от Итальянской ассоциации киножурналистов (Sindacato Nazionale Giornalisti Cinematografici Italiani). Благодаря таким комедиям, как «Брак по-итальянски», Мастроянни и Софи Лорен утвердились в качестве «идеальной пары» итальянского кино 1960-х годов.
Мастроянни всегда отказывался сводить свой образ к образу элегантного «латинского любовника» и брался за сложные характерные роли в таких фильмах, как «Большая жратва» (1973) и «Пчеловод» (1986), которые принесли ему признание критиков. Его многолетнее сотрудничество с режиссером Федерико Феллини сделало Мастроянни одним из самых известных итальянских актеров.
Мастроянни умер в Париже в возрасте 72 лет. Он был похоронен на кладбище Кампо Верано, самом большом кладбище Рима. Через два года после его смерти была учреждена премия имени Марчелло Мастроянни, которая ежегодно вручается на Венецианском кинофестивале лучшему молодому актеру.

Избранная фильмография

Белые ночи (1957, Лукино Висконти)
Сладкая жизнь (1960, Федерико Феллини)
Ночь (1961,Микеланджело Антониони)
Развод по итальянски (1961, Пьетро Джерми)
Вчера, сегодня, завтра (1963, Витторио де Сика)
Восемь с половиной (1964, Федерико Феллини)
Брак по итальянски (1964, Витторио де Сика)
Посторонний (1967, Лукино Висконти)
Подсолнухи (1970, Витторио де Сика)
Большая жратва (1973, Марко Феррери)
Город женщин (1980, Федерико Феллини)
Джинджер и Фред (1985, Федерико Феллини)
Очи чёрные (1987, Никита Михалков)