Мастроянни вырос в Турине, куда переехала его семья вскоре после его рождения. Семья будущего актёра жила бедно, поэтому с юных лет ему приходилось подрабатывать. В юности, проявилась страсть Марчелло к сцене: он принимал участие во всех школьных спектаклях.

После школы Мастроянни пошёл в ремесленное училище. Он вполне мог бы стать архитектором или инженером, но в дело вмешался случай: Марчелло попал в массовку картины ≪Marionette≫ (≪Марионетки≫). С тех пор он начал активно сниматься в кино, довольствуясь в основном мелкими и незначительными ролями. Но в возрасте двадцати пяти лет ему начали предлагать более весомые партии. Так он принял участие в таких картинах, как ≪Cuori sul mare≫ (≪Сердца над морем≫), ≪Vita da cani≫ (≪Собачья жизнь≫) и ≪Domenica d'agosto≫ (≪Августовское воскресенье≫).

Марчелло Мастроянни начал продвигаться к вершине актёрского олимпа. В 1957 году он снялся в мелодраме Лукино Висконти ≪Le notti bianche≫ (≪Белые ночи≫). Эта роль принесла Мастроянни настоящую славу и признание. Следующей знаковой работой артиста стал блестяще сыгранный образ Тиберио в авантюрной комедии Марио Моничелли ≪I soliti ignoti≫ (≪Злоумышленники, как всегда, остались неизвестны≫).

Но пик кинокарьеры итальянского артиста пришёлся на шестидесятые годы, когда он начал принимать участие в фильмах легендарного режиссёра Федерико Феллини и не менее значимого для мирового кинематографа Микеланджело Антониони.

Среди самых известных картин Феллини с участием Мастроянни стоит отметить следующие: ≪La dolce vita≫ (≪Сладкая жизнь≫) и ≪8½≫ (≪Восемь с половиной≫). А у Микеланджело Антониони артист снялся в знаменитой драме ≪La notte≫ (≪Ночь≫).

Позднее фильмография актёра пополнилась работами в таких картинах, как ≪La grande bouffe≫ (≪Большая жратва≫), ≪Matrimonio all'italiana≫ (≪Брак по-итальянски≫) и ≪Очи чёрные≫. Режиссёром последнего фильма является Никита Михалков.

Марчелло Мастроянни скончался в Пари же 19 декабря 1996 года от рака поджелудочной железы.