Començà la carrera cinematogràfica el 1940, com a guionista. Col·laborà amb Rossellini a Roma, città aperta (1945) i Paisà (1946). El 1950 dirigí, amb Lattuada, Luci del varietà. A partir d’aquell moment emprengué el camí artístic que l’ha convertit en un dels més personals, més contradictoris, més exuberants i més sincers realitzadors europeus, de primer dins els límits neorealistes (Lo sceicco bianco, 1952; I vitelloni, 1953, premi del Festival de Venècia; Un'agenzia matrimoniale, 1953, episodi d'Amore in città) i més tard dins els límits propis. Amb La strada (1954) se separà del neorealisme i inicià la línia que, a través d'Il bidone (1955), Le notti di Cabiria (1957) i La dolce vita (1959) (aquestes dues últimes premiades al festival de Canes dels anys corresponents), el portaren a la màxima exposició del seu món personal: Otto e mezzo (1962-63). També realitzà Giulietta degli spiriti (1965), Non giocare mai la testa col diavolo (1968), episodi de Tre passi nel delirio, Fellini-Satyricon (1968-69), I clowns (1970), Fellini Roma (1971), Amarcord (1973), Casanova (1977), Prova di orchestra (1979), La città delle donne (1980), E la nave va (1983), Ginger e Fred (1986) i Le voce della luna (1990). Amb L’intervista (1987) guanyà el premi especial XL aniversari del festival de Canes i el gran premi del festival de Moscou. Estigué casat amb l'actriu Giuletta Masina.