Запоминающаяся внешность, яркая игра, порой эксцентричность выбираемых им образов принесли Марчелло Мастроянни славу и признание.
Карьеру актера Мастроянни начинал у Висконти в «Белых ночах» (1957) и у Марио Моничелли в криминальной комедии «Злоумышленники неизвестны» (1958). После выхода эти картин Мастроянни был замечен великим Федерико Феллини, который пригласил молодого актера на главную роль в своей грандиозной кинофреске «Сладкая жизнь» (1960). После этого фильма Марчелло проснулся звездой.
В дальнейшем Мастроянни работал с лучшими европейскими режиссерами: Микеланжело Антониони, Пьетро Джерми, Луи Малем, Карло Понти. Последний, кстати, пригласил Мастроянни поучаствовать в нескольких проектах с участием его супруги Софи Лорен. Под руководством режиссёра Витторио де Сики Мастроянни и Лорен сыграли супругов в «Браке по-итальянски» и «Вчера, сегодня, завтра». Так родился один из самых знаменитых дуэтов мирового кино.
Во второй половине 1970-х — 1980-х годах актёр снимался ещё больше, чем раньше. Каждый год выходило по несколько фильмов с его участием, и хотя они не имели большой популярности у зрителя, критики все еще любили Мастроянни. В 1986 году он получил приз Каннского кинофестиваля и был в третий раз выдвинут на «Оскар», на этот раз за роль в фильме Никиты Михалкова «Очи чёрные».
Последний фильм в карьере актера — «Прет-а-порте» Роберта Олтмена. Вышедшая в 1994 году лента рассказывала об итальянце, вернувшемся из России, который влюблён в героиню Софи Лорен.
Через два года после этой роли Мастроянни умер от рака поджелудочной железы.