Trasferitasi a Roma all'età di quattro anni, presso una zia che incoraggia le sue inclinazioni artistiche, inizia a recitare durante gli anni del liceo e porta avanti la sua passione per il teatro anche durante l'università (si laurea in Lettere nel 1945). Dal 1942 lavora in radio dove interpreta le avventure di Cico e Pallina, scritte da Federico Fellini per la trasmissione Terziglio. Per Federico e Giulietta la storia dei due sposini è galeotta e coincide con l'inizio di un'unione artistica e sentimentale che continuerà per tutta la vita. Dopo una piccola comparsata nell'episodio fiorentino di Paisà (1946) di Rossellini, la prima affermazione arriva con Senza Pietà (1948) di Lattuada: per questo film Giulietta Masina vince il Nastro d'argento come migliore attrice non protagonista. La sua ascesa verso il successo continua con Luci del varietà (1951), girato a quattro mani da Fellini e da Lattuada, con Europa '51 (1952) di Roberto Rossellini e con Lo sceicco bianco (1952) di Fellini. Il 1954 è l'anno del trionfo internazionale: La strada di Fellini vince l'oscar come miglior film straniero e la stessa cosa accadrà nel 1957 con Le notti di Cabiria per il quale l'attrice ottiene anche la palma d'oro a Cannes per la migliore interpretazione femminile. Con i personaggi interpretati in questi due film, Giulietta Masina riesce a commuovere gli spettatori di tutto il mondo. Il viso di Gelsomina passa con straordinaria intensità dalla cupezza più profonda alla speranza che, sempre, torna a illuminare i suoi occhi, il suo corpo assume le forme della natura fino a imitare un albero e per la sua mimica straordinaria i critici la paragonano a Chaplin. Ne Le notti di Cabiria riesce a tratteggiare con indimenticabile profondità le illusioni e le disillusioni di una piccola prostituta dal cuore d'oro. Dopo alcune parti in film di poca fortuna come Nella città l'inferno (1958)di Castellani, Fortunella (1958)di Eduardo De Filippo, La gran vita (1960) di Julien Duvivier, torna protagonista assoluta in Giulietta degli spiriti (1965) e in Ginger e Fred (1985) scritti per lei, ancora una volta, dal marito. Negli anni 70 è impegnata in due sceneggiati televisivi di grande successo: Eleonora (1972) scritto da Tullio Pinelli, uno degli sceneggiatori di fiducia di Fellini, e Camilla (1976) con la regia di Sandro Bolchi.