Προσωποποίηση του λατίνου εραστή, απασχολούσε συχνά τα πρωτοσέλιδα του διεθνούς τύπου με τις πάμπολλες κατακτήσεις και απιστίες του, αλλά αυτό που τελικά έμεινε να μας θυμίζει τον εμβληματικό ιταλό ηθοποιό είναι οι δυνατές ερμηνείες του σε σημαντικές δημιουργίες της χρυσής εποχής του ιταλικού κινηματογράφου, αλλά και σε δυο ταινίες του Θόδωρου Αγγελόπουλου.
Ο Μαρτσέλο Βιτσέντσο Ντομένικο Μαστρογιάνι γεννήθηκε στις 28 Σεπτεμβρίου 1924 στο Φοντάνα Λίρι, ένα μικρό χωριό κοντά στη Ρώμη. Ο πατέρας του ήταν ξυλουργός και η μητέρα του γόνος μιας ρωσοεβραϊκής οικογένειας που είχε μεταναστεύσει στην Ιταλία. Μόλις το 1980 ο Μαστρογιάνι έμαθε για τις εβραϊκές του ρίζες. Από μικρός ήθελε να γίνει θεατρίνος και σε ηλικία 14 ετών εμφανίστηκε ως κομπάρσος σε μια ταινία, αφού προηγουμένως είχε εγκαταλείψει την οικογενειακή εστία με την ανοχή του πατέρα του και έκανε διάφορες δουλειές για τα προς το ζην. Κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκόσμιου Πολέμου και μετά την πτώση του Μουσολίνι το 1943, συνελήφθη από τους Γερμανούς και κλείστηκε σε στρατόπεδο συγκέντρωσης, από το οποίο δραπέτευσε και κρυβόταν μέχρι την λήξη του πολέμου στην περιοχή της Βενετίας. Μετά τον πόλεμο άρχισε να ασχολείται επαγγελματικά με το θέατρο ως ηθοποιός. Αυτός που τον ανακάλυψε ήταν ο σκηνοθέτης Λουκίνο Βισκόντι, ο οποίος του εμπιστεύθηκε ρόλους σε έργα ρεπερτορίου (Σέξπιρ, Τένεσι Ουίλιαμς κ.ά.).
Συγχρόνως, άρχισε να εμφανίζεται στον κινηματογράφο, παίζοντας ρόλους ταξιτζή και αστυνομικού. Έτσι, σιγά σιγά, άρχισε να γίνεται γνωστός στην Ιταλία και να αποσπά πρωταγωνιστικούς ρόλους στις ταινίες «Χρονικό των φτωχών εραστών» («Cronache di poveri amanti», 1954) του Κάρλο Λιτσάνι, βασισμένη στο ομώνυμο μυθιστόρημα του Βάσκο Πρατολίνι και «Η εκρηκτική λωποδύτρια» («Peccato che sia una canaglia», 1955) του Αλεσάντρο Μπλαζέτι, όπου πρωτοσυνάντησε τη Σοφία Λόρεν, με την οποία θα συμπρωταγωνιστήσει σε πολλές ακόμη ταινίες.
Το 1957, έπαιξε στην ταινία του Λουκίνο Βισκόντι «Λευκές Νύχτες» («Le Notti Bianche»), όπου τον ξεχώρισε ο Φεντερίκο Φελίνι και του έδωσε τον πρωταγωνιστικό ρόλο του Ρωμαίου δημοσιογράφου στην ταινία «Γλυκειά Ζωή» («La Dolce Vita», 1960), που εκτόξευσε την καριέρα και την φήμη του, Πρόκειται για μιά συγκλονιστική τοιχογραφία τής κοινωνίας τής Ρώμης στα τέλη τής δεκαετίας του ‘50, σε σενάριο Πιερ Πάολο Παζολίνι και συμπρωταγωνίστρια την Αννίτα Έκμπεργκ.
Ακολούθησαν εξαιρετικές ερμηνείες του στις ταινίες : «Η νύχτα» («La notte», 1960) του Μικελάντζελο Αντονιόνι, στον ρόλο ενός διανοούμενου συγγραφέα, που βιώνει την ανιαρή ζωή του παντρεμένου, «Διαζύγιο αλά Ιταλικά («Divorzio all’italiana», 1961) του Πιέτρο Τζέρμι, όπου υποδύεται έναν κομψό και ευπρεπή κόμη που προσπαθεί να απαλλαγεί από τη γυναίκα του, «8 1/2» («Otto e mezzo», 1963) του Φεντερίκο Φελίνι, όπου παίζει τον ίδιο τον δημιουργό του φιλμ, που βιώνει ένα υπαρξιακό και καλλιτεχνικό αδιέξοδο, και «Χθες, σήμερα, αύριο» («Ιeri, oggi, domani», 1964), ένα σπονδυλωτό έργο του Βιτόριο Ντε Σίκα.
Στις ταινίες του εκείνης της περιόδου ξεχωρίζουν: «Ιδιωτική ζωή» («Vita privata», 1962) του Λουί Μαλ, με συμπρωταγωνίστρια την Μπριζίτ Μπαρντό, «Καζανόβας ’70» («Casanova ’70», 1965) του Μάριο Μονιτσέλι, «Το δέκατο θύμα» (« La decima vittima», 1965) του Έλιο Πέτρι, «Ξένος» («Lo straniero», 1967) του Λουκίνο Βισκόντι, βασισμένη στο ομώνυμο μυθιστόρημα του Αλμπέρ Καμί και «Δράμα ζηλοτυπίας» («The Pizza Triangle», 1970) του Έτορε Σκόλα. Στη συνέχεια πρωταγωνίστησε σε μια σειρά από κωμικές ταινίες, όπως «Η γυναίκα του παπά» («La moglie del prete», 1970) του Ντίνο Ρίζι, «Λίζα» («La Cagna», 1972) του Μάρκο Φερέρι. «Τι;» («Che?», 1972) του Ρομάν Πολάνσκι και «Μεγάλο φαγοπότι» («La Grande Bouffe», 1973) του Μάρκο Φερέρι.
Το 1974 κάνει στροφή σε πιο δραματικούς ρόλους με το πολιτικό δράμα των αδελφών Ταβιάνι «Αλοζανφάν» («Allonsanfàn») και ακολούθησαν οι ταινίες «Μια ξεχωριστή μέρα» (« Una giornata particolare», 1977), του Έτορε Σκόλα, «Γεια σου πίθηκε» («Ciao maschio», 1978) του Μάρκο Φερέρι, «Η ταράτσα» («La terrazza») του Έτορε Σκόλα (1980), «Πόλη γυναικών»(«La città delle donne»,1980) του Φεντερίκο Φελίνι και «Μαύρα μάτια» (« Oci ciornie», 1987) του Νικήτα Μιχάλκοφ.
Το 1986, συνεργάστηκε για πρώτη φορά με τον Θόδωρο Αγγελόπουλο στην ταινία «Ο Μελισσοκόμος», όπου υποδύθηκε τον Σπύρο, ένα περιπλανώμενο μελισσοκόμο και την ίδια χρονιάι ερμήνευσε ένα γέρο καλλιτέχνη του μιούζικ χολ στην ταινία «Τζίντζερ και Φρεντ» («Ginger e Fred») του Φεντερίκο Φελίνι.
Στα τέλη του 1990 ήλθε και πάλι στην Ελλάδα για τα περιπετειώδη γυρίσματα, στην Φλώρινα, της ταινίας του Θόδωρου Αγγελόπουλου «Το μετέωρο βήμα του πελαργού», όπου παίζει ένα πολιτικό. Τελευταία του εμφάνιση στην μεγάλη οθόνη ήταν στην ταινία του πορτογάλου σκηνοθέτη Μανοέλ ντε Ολιβέιρα «Ταξίδι στην Αρχή του Κόσμου» ( «Viagem ao Princípio do Mundo»), που προβλήθηκε το 1997, λίγους μήνες μετά τον θάνατό του.
Ο Μαρτσέλο Μαστρογιάνι προτάθηκε τρεις φορές για το Όσκαρ καλύτερου ηθοποιού («Διαζύγιο αλά ιταλικά», «Μια Ξεχωριστή Ημέρα», «Μαύρα Μάτια»), ενώ κέρδισε δύο φορές το βραβείο καλύτερου ηθοποιού στο Φεστιβάλ Κινηματογράφου των Καννών («Δράμα Ζηλοτυπίας», « Μαύρα Μάτια »), ένα ρεκόρ που συγκατέχει με τους αμερικανούς ηθοποιούς Ντιν Στόκγουελ και Τζακ Λέμον.
Η προσωπική του ζωή ήταν γεμάτη έρωτες με πανέμορφες συναδέλφους του (Φαίη Ντάναγουεϊ, Κατρίν Ντενέβ, Ούρσουλα Άντρες, Ανούκ Αιμέ, Κλαούντια Καρντινάλε κ.α) και απιστίες στην μοναδική του σύζυγο, την ηθοποιό Φλώρα Καραμπέλα (1926-1999), με την οποία απέκτησε μια κόρη. Το ζευγάρι θα χωρίσει το 1970, αλλά δεν θα πάρει ποτέ διαζύγιο. Από τον δεσμό του με την Κατρίν Ντενέβ θα αποκτήσει μια κόρη την ηθοποιό και τραγουδίστρια Κιάρα Μαστρογιάνι. Τα τελευταία είκοσι χρόνια της ζωής του συζούσε στο Παρίσι με την Ιταλίδα σκηνοθέτιδα Αννα – Μαρία Τατό.
Ο Ματσέλο Μαστρογιάνι απεβίωσε στο Παρίσι στις 19 Δεκεμβρίου 1996, από καρκίνο του παγκρέατος, σε ηλικία 72 ετών.