Monica Vitti est née le 3 novembre 1931 à Rome en Italie. Diplômée de l’Académie nationale d’art dramatique de Rome, elle débute sur les planches.
En 1957, sa rencontre avec Michelangelo Antonioni sur le doublage du film Il grido, marque le début d’une fructueuse collaboration. Durant la décennie 60, le réalisateur fait de l’actrice sa muse et lui offre des personnages tourmentés à l’image de L’avventura (1960), La nuit (1961), L’Eclipse (1961) et Le Désert rouge (1964), dans lequel elle incarne Giuliana, une femme névrosée, en proie à des crises d’angoisses.
Par la suite, la comédienne décide de changer de registre et endosse des rôles plus légers. Elle multiplie également les collaborations; Mario Monicelli (La fille au Pistolet), Ettore Scola (Drame de la jalousie), Dino Risi (Moi, la femme), ou encore Alberto Sorti (Poussière d’étoile). En 1980, elle scelle ses retrouvailles avec Michelangelo Antonioni qui lui offre un rôle dans Le mystère d’Oberwald. Elle tourne sous la direction de Roberto Russo, Flirt (1983) et Francesca (1986) dont elle co-signe également le scénario.
En 1990, l’actrice passe derrière la caméra pour réaliser Scandale secret puis elle s’éloigne des plateaux de tournage.
Au cours de sa carrière, l’actrice remporte de nombreux prix dont un Lion d’or à Venise pour l’ensemble de sa carrière en 1995.
En 2011, Roberto Russo révèle que son épouse, retirée de la vie publique depuis plusieurs années, est atteinte de la maladie d’Alzheimer depuis 1996.
Le 2 février 2022, l’actrice meurt à Rome, à l’âge de 90 ans.
Côté vie privée, elle partage la vie du réalisateur italien Michelangelo Antonioni entre 1957 et 1967. En 1975, elle retrouve l’amour au bras du réalisateur et chef opérateur Roberto Russo. Le couple se marie en 1995.