Марчелло Мастроянни родился в горной деревне Фонтана-Лири в Апеннинах, в семье Отторино Мастроянни и Иды Иролле. Его младший брат, Руджеро, ставший впоследствии известным киномонтажёром и киноактёром, появился на свет в Турине, в 1929 году.
Детство и юность Мастроянни прошли в Турине и Риме. Спектакли тех лет были выдержаны в сугубо неореалистической тональности, равно как и первые фильмы с участием молодого актёра.
Сыграв у Висконти в «Белых ночах» (1957) и у Марио Моничелли в криминальной комедии «Злоумышленники неизвестны» (1958), Мастроянни был замечен великим Феллини, который пригласил его на главную роль в своей грандиозной кинофреске «Сладкая жизнь» (1960). Этот фильм мгновенно сделал его известным и востребованным по всей Европе в непривычной для него актёрской ипостаси интеллектуала и космополита.