Nel 1933 si trasferisce con la famiglia a Roma dove consegue il diploma di perito edile. Prima dei vent'anni figura come comparsa in alcuni film importanti ( La corona di ferro, 1941; I bambini ci guardano, 1942), ma più che l'attore sogna di fare l'architetto. Contemporaneamente lavora come disegnatore presso il Comune di Roma e si iscrive alla Facoltà di Economia e Commercio. Subito dopo la fine della guerra entra a far parte del CUT (Centro Universitario Teatrale). Non vi è stato però spinto dalla passione, ma a poco a poco, a mano a mano che acquista disinvoltura e prende confidenza con i testi e con il palcoscenico, vengono fuori l'interesse e l'ambizione di diventare attore. Esordisce ufficialmente come attore teatrale al seguito della compagnia Besozzi-Pola-Scandurra-Cei e subito dopo, esattamente nel 1946, inizia una fortunata stagione teatrale sotto la guida di Luchino Visconti, il primo maestro che gli insegna i trucchi del mestiere. Recita così accanto a grossi nomi della scena, come Ruggero Ruggeri ed altri promettenti attori come Vittorio Gassman, ma la celebrità gli viene dal cinema, dove è alter ego di Federico Fellini e attore corteggiato da registi come De Sica, Monicelli, Risi, Petri, Visconti, Antonioni, Ferreri. Protagonista di grande versatilità e di indiscussa bravura (si è detto che in certi film sembrava essere in grado di poter lavorare soltanto con l'espressione dello sguardo), apparirà in innumerevoli commedie, drammi e "film di autore", dando sempre l'impressione di un uomo colto e sensibile, alieno da pose divistiche, che guarda con fastidio alla pubblicizzazione della sua vita privata da parte della stampa scandalistica. Nel 1950 sposa l'attrice Flora Carabella che lo rende padre della sua prima figlia, Barbara. Se il loro è apparso agli amici un fidanzamento lampo, il matrimonio sarà uno di quelli destinati a durare per sempre. Proprio lui non vorrà mai divorziare, nonostante abbia avuto grandi amori con bellissime attrici come Faye Dunway e Catherine Deneuve, dalla avrà un'altra figlia, Chiara, nata nel 1972. Ottiene grande successo con la partecipazione al film I soliti ignoti (1958), di Mario Monicelli, nei panni del fotografo Tiberio. La vera consacrazione la ottiene però nel ruolo di Marcello Rubini, il cinico giornalista privo di carattere de La dolce vita (1960), capolavoro di Federico Fellini. Diretto dal regista riminese Mastroianni si rende conto di avere nelle sue carenze e debolezze umane la base per ruoli più complessi e moderni. Fellini, appunto, lo aiuta ad accettarsi così com'è e a tratte della propria verità, la verità dei personaggi. Con La dolce vita Mastroianni capisce in quale direzione deve muoversi e fa un deciso salto qualitativo. Ripudia il cliché del ragazzone sprovveduto e romantico, personaggio che aveva interpretato sino ad allora, per impegnarsi in una ricerca che tende ad esprimere, talvolta con il difficile strumento dell'autoirrisione, le inquietudini, le incertezze, le insoddisfazioni e le alienazioni dell'uomo contemporaneo svariando dal drammatico, al satirico e al grottesco. A partire da questo film la maggior parte delle sue interpretazioni più significative, e sono molte, sono il frutto di un accurato studio di composizione in varie chiavi: il patetico grande amatore imponente de Il bell'Antonio (1960) di Mauro Bolognini, al quale può ricongiungersi per certi aspetti il galante e spaesato Andrea di Casanova '70 (1965) di Mario Monicelli; l'astuto e maniacale barone Fefé Cefalù di Divorzio all'italiana (1961) di Pietro Germi; il goffo e scombinato rivoluzionario Sinigaglia de I compagni (1963) di Monicelli; Guido, il regista in crisi di Otto e mezzo (1963) di Fellini; il folle muratore tra farsa e tragedia di Dramma della gelosia - tutti i particolari in cronaca (1970) di Ettore Scola; il traditore Imbriani di Allonsanfan (1973) di Paolo e Vittorio Taviani; lo sfuggente don Gaetano di Todo modo (1976) di Elio Petri; il tormentato antifascista omosessuale di Una giornata particolare (1977) di Scola; i personaggi dei film di Marco Ferreri, nel cui acre e corrosivo umorismo si muove a suo agio, La cagna (1972), La grande bouffe (La grande abbuffata, 1973), Touche pas à la femme blanche (Non toccare la donna bianca, 1974) e Ciao maschio (1978). Nel 1966 veste gli abiti di Rodolfo Valentino nella commedia musicale Ciao Rudy, di Garinei e Giovannini. Senza aspettare gli anni della piena maturità, non tarda a dimostrare di essere un attore completo, istrionico e versatile, capace di affrontare con maestria e grande disinvoltura qualsiasi ruolo. Lavora con partners bellissime, italiane e straniere, ma solo con Sophia Loren, con la quale gira dodici film, si crea un'intesa davvero unica. Quarant'anni insieme. Da Peccato che sia una canaglia (1954) a Prêt-a-porter (1994). In mezzo, i film di Vittorio De Sica con cui la coppia ha conquistato le platee cinematografiche di tutto il mondo ( Ieri, oggi e domani, 1963; Matrimonio all'italiana, 1964; I girasoli, 1970). Nella sua lunga e fortunata carriera Marcello Mastroianni ha rappresentato con grande generosità, insieme con pochi altri la cinematografia italiana a livello internazionale, pur non avendo mai ricevuto un Oscar. Ritorna in teatro con Le ultime lune di Furio Bordon, una commovente e amara considerazione sulla vecchiaia, poco prima di spegnersi a Parigi, dopo una lunga malattia, il 19 dicembre 1996. Anna Maria Tatò, la compagna degli ultimi anni, realizza nel 1997 un film, Mi ricordo, sì, io mi ricordo, in cui lui stesso racconta con auto-ironia e serenità le tappe più importanti e significative della sua vita e della sua carriera.