Er zählt zu den wenigen italienischen Leinwandstars, die es zu internationalem Ruhm bringen – in Rollen charmanter Schwerenöters und eleganter Kosmopoliten gehört Marcello Mastroianni ab den sechziger Jahren des vorigen Jahrhunderts zu den populärsten Schauspielern Europas. Als „Alter ego“ von Federico Fellini dreht er in der großen Zeit des italienischen Kinos zahlreiche Filme, in denen er mit Selbstironie, Abgeklärtheit und Melancholie schwierige und liebenswerte Charaktere darstellt
Marcello Vincenzo Domenico Mastroianni wird am 28. September 1924 in Fontana Liri in der italienischen Region Latium geboren und wächst in Rom und Turin auf. Seine weißrussische Mutter ist jüdischer Abstammung, sein Vater arbeitet als Tischler. In der italienischen Hauptstadt beginnt er ein Studium der Architektur und Volkswirtschaft, während des Krieges ist er als technischer Zeichner tätig. Nach dem Einmarsch der Deutschen in Italien wird er interniert, kann aber fliehen und versteckt sich bis zum Kriegsende.
1945 wird Marcello Mastroianni aufgrund seines Engagements in einem römischen Studententheater vom Theater- und Filmregisseur Luchino Visconti entdeckt, unter dessen Anleitung er sich im folgenden Jahrzehnt zu einem brillanten Theaterschauspieler entwickelt. 1948 debütiert er im Film „I miserabili“ („Die Elenden“).
Ab 1948 übernimmt Marcello Mastroianni zunehmend Filmrollen im damals vorherrschenden populären „Neorealismo“-Kino Italiens, durch seine Rolle in „Cronache di poveri amanti“ wird er einem breiteren Publikum bekannt. Danach kann man ihn mit Sophia Loren in „Peccato che sia una canaglia“ („Schade, dass du eine Kanaille bist“, 1954) sehen – in den folgenden Jahren gelten Marcello Mastroianni und Sophia Loren durch zahlreiche gemeinsame Filmauftritte als das Traumpaar des italienischen Kinos. Internationale Berühmtheit erlangt Marcello Mastroianni an der Seite von Anita Ekberg, Lex Barker und Anouk Aimée im Filmklassiker „La dolce vita“ („Das süße Leben“, 1960) in der Rolle eines Sensationsreporters unter der Regie seines Freundes Federico Fellini. Für seine Darstellung gewinnt er einen Preis der „Italienischen Vereinigung der Filmjournalisten“ („Sindacato Nazionale Giornalisti Cinematografici Italiani“).
Danach folgen Filme wie „La notte“ („Die Nacht“, 1961) mit Jeanne Moreau, „Divorzio all’italiana“ („Scheidung auf Italienisch“, 1961), „Otto e mezzo“ („8 1/2“, 1963) mit Claudia Cardinale, „Ieri, oggi e domani“ („Gestern, heute, morgen“, 1968) mit Sophia Loren und „Lo straniero“ („Der Fremde“, 1967). In den siebziger Jahren kann man Marcello Mastroianni in „Fellinis Roma“ (1972), in „La grande abbuffata“ („Das große Fressen“, 1973) an der Seite von Ugo Tognazzi, Michel Piccoli und Philippe Noiret, in „L’événement le plus important depuis que l’homme a marché sur la lune“ („Die Umstandshose“, 1973) mit Catherine Deneuve und in „La pupa del gangster“ („Die Puppe des Gangsters“, 1975) neben Sophia Loren und Pierre Brice sehen. Auch in den beiden Alterswerken von Federico Fellini „La città delle donne“ („Stadt der Frauen“, 1980) und „Ginger & Fred“ (1986) übernimmt Marcello Mastroianni Rollen. Als Federico Fellini 1993 in Rom stirbt, verliert Marcello Mastroianni seinen bedeutendsten Filmkollegen, mit dem er über vier Jahrzehnte lang den Weltruhm des italienischen Kinos festigt.
Seine letzten Filmauftritte hat Marcello Mastroianni in „To meteoro vima tou pelargou“ („Der schwebende Schritt des Storches“, 1991) erneut an der Seite von Jeanne Moreau, in Robert Altmans Mode-Satire „Prêt-à-Porter“ (1994) – worin man ein letztes Mal Sophia Loren und Marcello Mastroianni als Liebespaar bewundern kann – in „Sostiene Pereira“ („“Erklärt Pereira“, 1995) sowie im mehrfach ausgezeichneter Film „Viagem ao princípio do mundo“ („Reise an den Anfang der Welt“, 1997).
Marcello Mastroianni ist von 1948 bis 1990 mit der Schauspielerin Flora Carabella verheiratet, mit der er eine Tochter hat. Einer außerehelichen Beziehung mit der französischen Schauspielerin Catherine Deneuve entstammt die Tochter Chiara Mastroianni.
Marcello Mastroianni stirbt am 19. Dezember 1996 in Paris im Alter von dreiundsiebzig Jahren an den Folgen eines Krebsleidens. Zwei Jahre nach seinem Tod wird der „Marcello-Mastroianni-Preis“ ins Leben gerufen, der jährlich den besten Nachwuchsdarsteller des Filmfestivals von Venedig ehrt.