Az olasz művész nem csupán az európai, hanem az egyetemes filmművészet kiemelkedő alakja volt. Bár sokan a sármos szívtiprót, a "latin szeretőt" látták benne, az előítéletekre rácáfolt. Kivételes tehetsége, sokoldalú jellemábrázoló képessége pályafutása során számos elismerést, díjat hozott neki.

Marcellot édesanyja eredetileg vasutasnak szánta, a fiú azonban máshogy döntött: a római egyetemen építészetet tanult. Luchino Visconti azonban meglátta benne a kivételes tehetséget, amikor egy amatőr társulattal szerepelt. Innentől kezdve Visconti irányításával színészetet tanult, a színpadon pedig klasszikus és modern szerepekben tűnt fel. A háború után újraéledő filmgyártás hamar felfigyelt rá. Először kisebb szerepekben tűnt fel, majd az áttörést, a sikert egy 1957-ben készült Dosztojevszkij feldolgozás, a Fehér éjszakák hozta meg számára. Ezt a szerepet ismét Viscontinak köszönhette. A 60-as években sorra kapta a nagy szerepeket, ekkor játszotta el leghíresebb szerepét Fellini Édes Életében. Mastroianni és Fellini neve ettől kezdve összefort, a 80-as évek végéig számtalan nagy filmben dolgoztak együtt. A korszak más kiemelkedő rendezői, Vittorio de Sica, Marco Ferreri, Ettore Scola ugyancsak szívesen dolgoztak vele, partnerei pedig nem kisebb női sztrárok voltak, mint Sophia Loren, Catherine Denevue, vagy Anita Ekberg. 1996 decemberében, halálakor Róma főpolgármestere a Trevi kutat, amelynél az Édes Élet ikonikus jelenete játszódott, fekete drapériával takartatta le Olaszország legnagyobb színművésze előtt tisztelegve.