Maria Luisa Ceciarelli néven született Rómában, művésznevét 1954-ben vette fel. Tizennégy évesen egy iskolai jótékonysági előadáson egy negyvenöt éves nőt játszott - olyan remekül, hogy ő maga máig ezt tartja élete legnagyobb sikerének. Ettől kezdve mindent elkövetett, hogy színésznő lehessen - konzervatív családja pedig azért, hogy ne lehessen az. A színiiskolára is titokban felvételizett, és amikor a kedvező eredményről beszámolt anyjának, az rezignáltan csak annyit mondott: legalább megtanítanak járni. Lánya csámpás volt ugyanis, testtartása pedig hanyag, és bár járni nem tanították meg, játszani viszont igen.

Az akadémián átlagon felüli tehetségnek bizonyult, a harminc növendék közül ő nyerte el az osztályelsőnek járó bíbordiplomát. Rómában így sem kapott szerződést: pályáját Milánóban kezdte, de néhány év múlva már az Örök Városba hívták.

Huszonöt éves volt, amikor egy színházi előadáson felfigyelt rá Michelangelo Antonioni, aki megérezte, hogy a sajátos stílusú Vitti drámai és vígjátéki szerepre egyaránt képes. Rögvest fel is kereste az öltözőben a fiatal színésznőt, és meggyőzte, hogy dolgozzon vele, fordítson hátat a színpadnak. Vitti, aki addig csak "hátulról", filmszínésznők hangját szinkronizálva forgatott, végül kötélnek állt, ezzel kezdődött kettejük egy évtizeden át tartó magánéleti és szakmai kapcsolata, egyben az olasz film egy fontos fejezete.

Antonioni irányításával szorongó, helyüket kereső, titokzatos, kissé neurotikus nőalakokat formált meg a Kaland, Az éjszaka, a Napfogyatkozás és a Vörös Sivatag című filmekben. A Kaland az 1960-as Cannes-i Filmfesztiválon a zsűri különdíját nyerte el.

Monica Vitti már világhírű volt, amikor véget ért a szerelme - ahogyan sokan emlegették - Pygmalionjával. A magánélet után pályáján is új fordulat következett: megmutathatta másik arcát is, a derűset, a sziporkázóan szellemeset. Játszott humoros, szatirikus vígjátékokban és kalandfilmekben is, mint a Modesty Blaise, Az erényöv és az Éjfélkor indul útjára a gyönyör. 1971-ben ő volt Jancsó Miklós A pacifista című, Itáliában forgatott filmjének főszereplője. A közös munka mindkettejük számára csalódást jelentett: a forgatás feszült hangulatban folyt, a film pedig megbukott.

1974-ben emlékezetes alakítást nyújtott Luís Bunuel A szabadság fantomja című művében, de komédiázott könnyed és nagy kasszasikerű filmekben is: Tudom, hogy tudod, hogy tudom, Nem örökkön, nem örökké. Pályafutása során összességében félszáz filmet forgatott, az 1984-es Berlini Filmfesztiválon megkapta a legjobb színésznőnek járó Ezüst Medve díjat.

Az 1980-as évek közepétől televíziós forgatókönyveket írt, majd megpróbálkozott a rendezéssel is, de Botrányos titkok című filmjét hűvösen fogadták. Az évek múlásával ő is lenyugodott, a hetvenes évek vége óta él a nála fiatalabb Roberto Russo rendezővel, akivel 1995-ben össze is házasodtak.

Monica Vitti azt vallja: a film nem más, mint izgalmas szerencsejáték. Ha egy napon bezárulnának előtte a filmstúdiók kapui, nem esne kétségbe, hiszen az ő választott hivatása a színház.