Když mu byly čtyři roky, rodina se přestěhovala do Turína (zde se narodil další syn Ruggero, posléze známý film. střihač), odkud po čtyřech letech přesídlila natrvalo do Říma, kde si otec, obratný truhlář, otevřel nábytkářskou dílnu.

Očarován divadlem a filmem začal M. M. jako patnáctiletý statovat ve filmech tehdejších slavných režisérů (mj. C. Gallone a A. Blasetti).

Po maturitě na průmyslovce pracoval jako stavební odborník v technicko-průmyslovém Institutu Carla Grelly. Na Římské univerzitě se zapsal na fakultu ekonomických a obchodních věd. Studium si platil z peněz, které vydělal jako kreslič v geografickém vojenském ústavu ve Florencii.

Když se dozvěděl, že mají být všichni zaměstnanci odsunuti do Německa, utekl spolu s malířem Remem Brindisim do Benátek, kde se živil prodejem jeho obrazů. Těsně po válce přijal místo účetního v římské pobočce britské distribuční společnosti Eagle-Lion Films a po večerech vystupoval na jevišti Univerzitního divadelního klubu, kde pak v roce 1948 hrál po boku Giulietty Masinové v alegorické komedii Lea Ferrera Angelica.

Ještě téhož roku získal profesionální divadelní angažmá, nejprve ve společnosti Nina Besozziho, později u Paola Stoppy, Riny Morelliové a Luchina Viscontiho, pod jehož režijním vedením sehrál v letech 1948-56 několik závažných rolí - Mitche a Kowalského ve Williamsově dramatu Tramvaj do stanice Touha, Biffa v Millerově dramatu Smrt obchodního cestujícího, Astrova v Čechovově dramatu Strýček Váňa, kapitána Solenného v Čechovových Třech sestrách a Ripafrattu v Goldoniho komedii Mirandolina (1952).

Takřka souběžně s divadelními začátky se mu podařilo uplatnit se ve filmu, kde si osvojil tehdy žádaný stereotyp líbivého, bezstarostného a počestně zamilovaného mladíka, který s úsměvem řeší své existenční problémy (mj. Srpnová neděle, Děvčata ze Španělského náměstí).

Zlom způsobil teprve film Natálie (r. L. Visconti), aktualizovaný přepis Dostojevského novely Bílé noci, v němž si mohl vyzkoušet jinou polohu v postavě snílkovského Maria, osamělého a nesmělého úředníka, který se beznadějně zamiluje do dívky (Maria Schellová), která čeká na návrat jiného.

Další rozhodující obrat v jeho kariéře znamenal film Sladký život, který z něho rázem učinil mezinárodní hvězdu; byl však i začátkem přátelství a dlouholeté spolupráce s režisérem Federicem Fellinim, který v něm vytušil a objevil novou dimenzi lidství.

Zcela nenucený civilní projev bez patosu a psychologizujícího rozkrývání charakteru, jakým M. M. interpretuje postavu cynického novináře Marcella, napovrch elegantního bezstarostného intelektuála, vtírajícího se do přízně vysoké římské společnosti, přesně odpovídal režisérově novátorské koncepci. Ačkoliv se jedná o rozporuplného hrdinu, všechny jeho povahové rysy jsou navozeny zprostředkovaně, začínají se rozkrývat postupně z jeho kontaktů a střetů s okolním děním nebo s ostatními postavami.

Podobně modeluje všechny své další felliniovské postavy, navenek suverénní a ješitné, duchaplné a společenské, ve skutečnosti však labilní, pochybující o sobě, nejisté a propadající vnitřnímu zmatku: slavný film. režisér Guido Anselmi, zmítaný úzkostí v momentálním stadiu selhání a neplodné inspirace, v psychologické komedii 8 1/2; ctihodný profesor řecké mytologie Marcello Snaporaz, procházející bludištěm svých nejniternějších traumat, představ a snů, aby hledal ideální ženu, v symbolickém snímku Město žen; někdejší varietní umělec Pippo Botticella alias Fred, scházející se po mnoha letech opět se svou někdejší taneční partnerkou (Giulietta Masinová) na jednom pódiu, v nostalgické revui s kritickým pohledem do zákulisí pokleslé TV zábavy Ginger a Fred.

Poč. 60. let vytvořil plejádu rozličných a navzájem až protikladných rolí, v nichž prokázal nezměrnou šíři svého hereckého rejstříku se všemi nuancemi. Citovou vyprahlostí trpí mondénní spisovatel Giovanni Fontano, který se ocitl v osobní i profesionální krizi, v psychologickém dramatu Noc (r. M. Antonioni).

Zajímavou příležitost dostal v kriminálním dramatu Vrah (r. E. Petri), kde v úloze samolibého a vypočítavého římského starožitníka Alfreda Martelliho, který zneužívá přízně starší ženy (Micheline Presleová), předvedl prototyp současného měšťáka.

Jinou hereckou polohu si vyzkoušel v tragické postavě úředníka Paula Meursaulta, odsouzeného k smrti za bezděčně spáchanou vraždu, ve film. adaptaci existencialistického románu Alberta Camuse Cizinec (r. L. Visconti).

Stále častěji však byl využíván pro role nekomplikovaných Italů, temperamentních, zamilovaných mužů, zmatených a přehnaně jednajících v zapeklitých erotických hrátkách, v nichž neumějí včas zareagovat a zvládnout překážky či žensky lstivé útoky.Ačkoliv byl tehdy považován za představitele italského "donchuanství", většinu svůdcovských typů ale nepokrytě ironizuje nebo pointuje do anekdotického vyznění.

Z chování jeho hrdinů čiší jistý flegmatismus, někdy lenost a pohodlnost, kterou rozrušuje právě ženský živel (mnohokrát ho zosobňovala Sophia Lorenová), z něhož vychází i situační motivace komiky (Rozvod po italsku, Manželství po italsku, Slunečnice, Casanova 70).

Poprvé byl nominován na Oscara 1962 za úlohu amorálního barona Ferdinanda Cefalù, jenž se chce za každou cenu zbavit nepohodlné manželky, v černé satirické komedii Rozvod po italsku (r. P. Germi). Cena BAFTA 1964 mu připadla díky výkonům ve třech rozdílných úlohách (nezaměstnaný neapolský floutek Carmine, idealistický milánský intelektuál Renzo a bohatý boloňský obchodník Rusconi) v povídkové komedii Včera, dnes a zítra (r. V. De Sica).

Za roli sympatického prostopášného důstojníka Andrea R. Colobottiho v komedii Casanova 70 (r. M. Monicelli) byl oceněn na MFF v San Sebastianu 1965.

Jako protagonistu svých filmů si ho od konce 60. let stále častěji vybíral režisér Ettore Scola, v jehož pozoruhodných filmech různých žánrů vytvořil portréty obyčejných i nevšedních lidí ze současnosti i z minulosti: zedník Oreste Nardi, který opustí svou manželku i s dětmi kvůli jiné ženě, která mu pak oplatí stejnou zradou, v hořké komedii Drama žárlivosti (cena na MFF v Cannes 1970); homosexuální rozhlasový hlasatel Gabriele, navazující neobvyklý milostný vztah s manželkou fašistického funkcionáře (S. Lorenová), v tragikomedii Zvláštní den (nominace na Oscara 1977); dobrácký novinář Luigi, pronásledovaný redakční radou i feministickou manželkou (Carla Gravinová), v psychologické studii Terasa; zestárlý skeptik s pověstí svůdce Giacomo Casanova, cestující v jednom dostavníku s pestrou skupinkou lidí, v komorním snímku o nezdařeném útěku Ludvíka XVI. z Francie Noc ve Varennes; stárnoucí zhýralý právník Marcello, který navštíví na vojně svého ctnostného syna (Massimo Troisi), aby se konečně po letech vzájemných antipatií sblížili, v komorním psychologickém dramatu Kolik je hodin? (Volpiho pohár na MFF v Benátkách 1989).

Podnětné a přínosné zkušenosti načerpal také v sérii kontroverzních filmů Marca Ferreriho, který mu v nich svěřil velmi provokativní role patologicky zvrácených jedinců: podivínský průmyslník Mario, posedlý nafukováním balonků, v povídce L'uomo dei cinque palloni (Muž s pěti balonky) z filmu Dnes, zítra a pozítří; italský umělec Giorgio, jehož bizarním rozmarům se na opuštěném ostrově podřídí elegantní Francouzka (Catherine Deneuveová), v provokativní alegorické grotesce Liza; legendární generál Custer v pitoreskní parodii na mýtus Divokého západu Nedotýkej se bílé ženy; pilot Marcello, jeden ze čtveřice přátel (Michel Piccoli, Philippe Noiret a Ugo Tognazzi), jímž se podaří během několikadenních gastronomických orgií zcela ujíst, upít a usouložit k smrti, ve skandální alegorické tragikomedii Velká žranice; duševně i tělesně skomírající manžel nymfomanky (Hanna Schygullová), jehož dcera (Isabelle Huppertová) propadne rovněž sexu, v erotickém pamfletu Příběh Piery.

Ačkoliv se nikdy nepovažoval (na rozdíl od Giana Marii Volontého) za politicky angažovaného herce, přesto se snaží vybírat si takové role, jež mu dovolí vyjádřit jeho osobní stanoviska.

Nikdy neuvažoval o kariéře v Hollywoodu, raději podporuje svou účastí zajímavé projekty renomovaných, duchovně spřízněných, ale také zcela neznámých mladých evropských tvůrců. Ani s přibývajícím věkem neztratil nic ze své noblesy a hereckých kvalit, jak to dosvědčují jeho vyznamenané kreace.

Cenu na MFF v Cannes 1987 a nominaci na Oscara 1987 si zajistil výkonem, jaký podal v úloze kdysi záletného manžela Romana Patroniho a nyní číšníka na výletní lodi, jehož vzpomínkám na velkou lásku (Jelena Safonovová) naslouchá shodou okolností její nový manžel (V. Larionov), v melodramatu podle Čechovových povídek Oči černé (r. N. Michalkov).

Dvěma z posledních ocenění byly Volpiho pohár na MFF v Benátkách 1993 za vedlejší roli věčně opilého otce hlavní hrdinky (Anouk Grinbergová) v operně stylizované poemě z periferie Cukr, káva, limonáda... (r. B. Blier) a Donatellův David 1994 za výkon ve filmu Podle Pereiry (r. R. Faenza).

V roce 1966 založil spolu s Američanem Josephem H. Levinem nezávislou produkční společnost Master Films. Velmi ojediněle se vrací na jeviště; v římském divadle Teatro Sistina vystupoval roku 1966 v muzikálu Ciao Rudy, v pařížském divadle Montparnasse se představil v roce 1984 v režii Petera Brooka ve hře Françoise Billetdouxe Tchin Tchin a roku 1987 ho angažoval Nikita Michalkov do inscenace své čechovovské variace Nedokončená skladba.

Za celoživotní zásluhy o film. umění byl v roce 1988 poctěn Evropskou film. cenou Felixem. Poč. června 1984 navštívil Prahu a Pardubice, které udržují družební vztahy s jeho rodným městem.

V roce 1950 se oženil s herečkou Florou Carabellovou, s níž měl dceru Barbaru (nar. 1951).Ze vztahu s francouzskou herečkou Catherine Deneuveovou, po jejímž boku několikrát hrál (Tohle se stává jen druhým, Liza, Největší událost od chvíle, kdy člověk vstoupil na Měsíc, Nedotýkej se bílé ženy), pochází dcera Chiara Mastroianniová (nar. 1972), která se také věnuje úspěšně herecké kariéře a s níž si společně zahrál ve filmu Tři životy a jen jedna smrt (r. R. Ruiz).