Nascuda en un ambient marginal, als catorze anys fou finalista en un concurs de bellesa que li donà l’oportunitat d’accedir al món de l’espectacle, on conegué el productor Carlo Ponti, que es convertí alhora en figura paterna i mentor artístic, i amb el qual es casà l’any 1966. Des del 1950 actuà com a extra en una desena de films, i el 1952 protagonitzà el primer llargmetratge, La favorita (1952), adaptació de l’òpera homònima de Donizetti dirigida per Cesare Barlacchi. L’any següent aconseguí una certa projecció amb una altra adaptació operística, Aida, sota la direcció de Clemente Fracassi.
Amb títols com ara Ci troviamo in galleria (1953, Mauro Bolognini), Miseria e nobiltà (1954, Mario Mattoli), L’oro di Napoli (1954, Vittorio De Sica), Peccato che sia una canaglia (1954, Alessandro Blasetti), Attila (1954, Pietro Francisci), La donna del fiume (1954, Mario Soldati) o Il segno di Venere (1954, Dino Risi) consolidà un renom fonamentat en la interpretació de tipus populars i en la seva bellesa, bé que demostrà també posseir un registre molt més ampli. En 1957-60 treballà sobretot en produccions de Hollywood, on sobresortí protagonitzant The Pride and the Passion (1957, Stanley Kramer), Boy on a Dolphin (1957, Jean Negulesco), Desire Under the Elms (1958, Delbert Mann), The Key (1958, Carol Reed), The Black Orchid (1955, Martin Ritt), Heller in Pink Tights (1960, George Cukor), Legend of the Lost (1961, Henry Hathaway), Houseboat (1958, Melville Shalvelson) i A Breath of Scandal (1960, Michael Curtiz). Guanyà el Gran Premi del Festival de Canes el 1961 a la millor actriu i l’Oscar a la millor actriu protagonista el 1962 per La ciociara (1960, Vittorio De Sica). De la seva carrera posterior sobresurten El Cid (1961) i The Fall of the Roman Empire (1964), d’Anthony Mann, Arabesque (1966, Stanley Donen), Man of La Mancha (1966, Arthur Hiller), A Countess from Hong Kong (1967, Charles Chaplin), C’era una volta (1967, Francesco Rosi), Il viaggio (1974, Vittorio De Sica) i The Cassandra Crossing (1976, George P. Cosmatos), entre d’altres. Coprotagonitzà amb Marcello MastroianniIeri, oggi, domani (1963) i Matrimonio all’italiana (1964), de Vittorio De Sica, i Una giornata particolare (1977), d’Ettore Scola, que la consolidaren com una de les millors actrius de la segona meitat del segle XX.
Semiretirada a partir de la dècada de 1980, interpretà alguns telefilms i algun paper principal (Sabato, domenica e lunedì, de Lina Wertmüller, 1990; Prêt-à-Porter, de Robert Altman, 1994), dels quals sobresurten La mia casa è piena di specchi (2010, Vittorio Sindoni), minisèrie en gran part autobiogràfica, i, dirigits pel seu fill Edoardo Ponti els films Between Strangers (2002), Voce umana (2014) i La vita davanti a sé (2020). El 1991 rebé l’Oscar i el César honorífics, el 1994 l’Os d’Or honorífic del Festival de Berlín i el 1998 el Lleó d’Or a la trajectòria del Festival de Venècia.