S’inicià amb la realització de documentals per a la companyia elèctrica Edisonvolta, i els anys cinquanta començà a rodar alguns curts (Grigio, amb guió de Pier Paolo Pasolini). El 1959 estrenà al Festival de Venècia el primer llargmetratge, Il tempo si è fermato, en el qual ja es manifestaven els trets principals de la seva filmografia posterior, bàsicament una temàtica centrada en les vides de personatges anònims i corrents tractades amb realisme i una gran dosi de simpatia. Seguiren Il posto (1961); I fidanzati (1963); E venne un uomo (1965), biografia del papa Joan XXIII, el primer dels seus films en què tracta directament la temàtica religiosa, d’un catolicisme impregnat de franciscanisme; Un certo giorno (1973); La circostanza (1973), guardonat amb una menció especial al Festival de Sant Sebastià el 1974; el film sobre la vida rural L’albero dei zoccoli (1978, Palma d’Or al Festival de Canes i, el 1979, premi César), rodada amb actors no professionals i considerada la seva obra mestra, i Cammina Cammina (1983). Després d’un període d’inactivitat per una malaltia que el deixà invàlid, retornà a la direcció amb Lunga vita alla signora! (1987) i posteriorment dirigí La leggenda dil santo bevitore (1988, Lleó d’Or al Festival de Venècia) i Il segreto del bosco vecchio (1993), basades en les narracions de Joseph Roth i Dino Buzzati, respectivament. Després d’Il mestiere delle armi (2001), de tema històric, els seus films adoptaren un to més al·legòric: Cantando dietro i paraventi (2003), Centochiodi (2007), Il villaggio di cartone (2011), Torneranno i prati (2014) i Vedete, sono uno di voi (2017). Dirigí, juntament amb Abbas Kiarostami i Ken Loach, Tickets (2005) i rodà nombrosos documentals i alguns films per a la televisió. Rebé reconeixements a la trajectòria dels festivals de Locarno (2004) i de Venècia (2008, Lleó d’Or).